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嵌入式系统的USB虚拟串口设计

来源:中国工控网2006.07.31阅读 2822

    引 言:
    现代嵌入式系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,异步串行通信接口往往作为标准外设出现在单片机和嵌入式系统中。但是随着个人计算机通用外围设备越来越少地使用串口,串口正在逐渐从个人计算机特别是便携式电脑上消失。于是嵌入式开发人员常常发现自己新买来的计算机上没有串口,或者出现调试现场用户的计算机没有串口的尴尬局面。相反,现在的个人计算机普遍拥有4个以上的USB接口,能不能使用USB接口代替串口,完成PC机和嵌入式系统的通信呢?


    1、  USB虚拟串口代替物理串口的可行性
    首先,越来越多带USB接口的器件涌现出来CONTROL ENGINEERING China版权所有,如带USB接口的单片机,或独立的USB接口器件,而且这些器件的成本已经很接近于使用RS232电平转换芯片所带来的成本。
    其次,市场上也出现了一些USB接口转串口的芯片,这些芯片一头为串口,另一头为USB接口,在其内部完成串口到USB协议的转换。该芯片通过USB口连接到个人计算机后www.cechina.cn,在操作系统中表现为一个串口设

备,这意味着USB接口对于传统的串口调试工具(HyperTerninal)和用户基于串口的应用程序是透明的,开发人员完全不用更改PC端的调试和应用程序。
    但是这些器件的USB类不属于标准的USB设备类,因此需要在Windows和Linux操作系统上安装额外的设备驱动。另外,由于不是操作系统自带的设备驱动,而且通信经过了由串口到串口,USB从设备到USB主机的多次转换,当调试遇到问题时常常无法确定是串口出了问题还是USB出了问题。因此,应该使嵌入式系统直接和PC通过USB总线接口连接(通过片上的USB接口或片外USB接口芯片),由单片机直接完成USB虚拟串口的协议转换。
    在USB标准子类中CONTROL ENGINEERING China版权所有,有一类称之为CDC类,可以实现虚拟串口通信的协议,而且由于大部分的操作系统(Windows和Linux)都带有支持CDC类的设备驱动程序,可以自动识别CDC类的设备,这样不仅免去了写专用设备驱动的负担控制工程网版权所有,同时简化了设备驱动的安装。


    2、  什么是CDC类
    USB的CDC类是USB通信设备类(Communication Device Class)的简称。CDC类是USB组织定义的一类专门给各种通信设备(电信通信设备和中速网络通信设备)使用的USB子类。根据CDC类所针对通信设备的不同,CDC类又被分成以下不同的模型:USB传统纯电话业务(POTS)模型,USB ISDN模型和USB网络模型。其中CONTROL ENGINEERING China版权所有,USB传统纯电话业务模型,有可分为直接线控制模型(Direct Line Control Model)、抽象控制模型(Abstract Control Model)和USB电话模型(USB Telephone Model),如图1所示。本文所讨论的虚拟串口就属于USB传统纯电话业务模型下的抽象控制模型。
图1 
图1


    通常一个CDC类又由两个接口子类组成通信接口类(Communication Interface Class)和数据接口类(Data Interface Class)。笔者主要通过通信接口类对设备进行管理和控制,而通过数据接口类传送数据。这两个接口子类占有不同数量和类型的终端点(Endpoints),如图2所示。对于前面所述的不同CDC类模型,其所对应的接口的终端点需求也是不同的。如所需要讨论的抽象控制模型对终端点的需求,通信接口类需要一个控制终端点(Control Endpoint)和一个可选的中断(Interrupt)型终端点www.cechina.cn,数据接口子类需要一个方向为输入(IN)的周期性(Isochronous)型终端点和一个方向为输出(OUT)的周期性型终端点。其中控制终端点主要用于USB设备的枚举和虚拟串口的波特率和数据类型(数据位数、停止位和起始位)设置的通信。输出方向的非同步终端点用于主机(Host)向从设备(Slave)发送数据,相当于传统物理串口中的TXD线(如果从单片机的角度看),输入方向的非同步终端点用于从设备向主机发送数据,相当于传统物理串口中的RXD线。
图2 
图2


    3、  AT89C5131的简单介绍
    基于单片机的嵌入式系统要实现USB总线通信,通常都是通过外扩专用的USB总线接口芯片(如飞利浦的D12)。但是这样的方案既增加了成本,又使PCB板的面积变大,所以使用A














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