【正文】 不再設(shè)置，這就約束了基于 RS232(DB9)串口與 PC 機(jī)聯(lián)絡(luò)的單片機(jī)設(shè)備的使用范圍。 本課題研究的主要內(nèi)容 （ 1） 串行通信原理 介紹 ； 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 （ 2） USB技術(shù)原理 分析 ； （ 3） 單片機(jī)和 PC機(jī)通過(guò) USB實(shí)現(xiàn)串行通信 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。從 IBM個(gè)人電腦和兼容式電腦的時(shí)代開(kāi)始，幾乎所有的計(jì)算機(jī)都配有一個(gè)或多個(gè)串行端口和一個(gè)并行端口。對(duì)于并行通信，你需要采用 8條導(dǎo)線。 一個(gè)串行設(shè)備一次發(fā)送和接收一 位數(shù)據(jù)， 有些設(shè)備因?yàn)樵谕粫r(shí)間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，被稱為全雙工設(shè)備。兩個(gè)發(fā)送方和接收器必須設(shè)置為相同的數(shù)據(jù)通信比特或正確的比特率。波特率通常以每秒的位數(shù)（ bps）來(lái)計(jì)量。使用校驗(yàn)位提供了一個(gè)基本的機(jī)制，以檢測(cè)已發(fā)送數(shù)據(jù)損壞，但不保證檢查數(shù)據(jù)本身的錯(cuò)誤。 圖 22 25針和 9針串行接口 在計(jì)算機(jī)和終端之間的數(shù)據(jù)傳輸通常是靠電纜或信道上的電流或電壓變化實(shí)現(xiàn)的 。計(jì)算機(jī)或 PLC 各種內(nèi)部總線就是以并行方式傳送數(shù)據(jù)的。 電話線就是二線全雙工信道。但單工目前已很少采用，下面僅介紹前兩種方式。 圖 24半雙工方式 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)用串行接口連接顯示終端時(shí)，在半雙工方式中，輸入過(guò)程和輸出過(guò)程使用同一通路。 當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流，分別由兩根不同的傳輸線傳送時(shí)，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制，如圖 25 所示。 圖 25全雙工 異步傳輸和同步傳輸 串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一位一位按照到達(dá)的順序依次傳輸?shù)?，每位?shù)據(jù)的發(fā)送和接收都需要時(shí)鐘來(lái)控制。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 通常，異步傳輸是以字符為傳輸單位，每個(gè)字符都要附加 1位起始位和 1位停止位，以標(biāo)記一個(gè)字符的開(kāi)始和結(jié)束，并以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。一個(gè)字符占用 5~8 位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。典型的速率有： 9600 b/s、 、 56kb/s等。例如，在使用 Modem 上網(wǎng)時(shí)，普遍感覺(jué)速度很慢，除了傳輸速率低之外，與通信開(kāi)銷大、通信效率低也密切相關(guān)。 和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長(zhǎng)容易引 起時(shí)鐘漂移。另一種方法是通過(guò)采用嵌有時(shí)鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同 步信息。 USB 允許外設(shè)在主機(jī)和其它外設(shè)工作時(shí)進(jìn)行連接 、配置 、 使用及移除 ， 即所謂的即插即用 （ Plugamp。 為了進(jìn)一步敘述 ， 我們給出端點(diǎn) (endpoint)和管道 (pipe)的概念。每個(gè)端點(diǎn)都有一定的特性。用于設(shè)備初始化參數(shù)等。管道有兩種類型，數(shù)據(jù)流管道（其中的數(shù)據(jù)沒(méi)有 USB定義的結(jié)構(gòu)）與消息管道（其中的數(shù)據(jù)必須有 USB定義的結(jié)構(gòu)）管道只是一個(gè)邏輯上的概念。 最底層是總線接 口，用來(lái)發(fā)送與接收包。 圖 31設(shè)備層次結(jié)構(gòu) USB 的優(yōu)點(diǎn) USB通信有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： USB外設(shè)提供了單一的 、 易于使用的標(biāo)準(zhǔn)的連接類型 。 其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn) ， 如 SCSI設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下才能插拔外圍設(shè)備 。 ， USB提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸類型 ： 控制傳輸 Bulk數(shù)據(jù) 、 傳輸中斷數(shù)據(jù)傳輸和同步數(shù)據(jù)傳輸 。 如果是從硬件開(kāi)始來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)的系統(tǒng) 那 還要正確選擇傳輸?shù)姆绞?， 而作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的書(shū)寫(xiě)者就只需要弄清楚 其 采用的什么工作方式就行了 。 控制傳輸方式可以包括 1 32和 64字節(jié)的數(shù)據(jù) ， 這依賴于設(shè)備和傳輸速度 。 例如 ， 執(zhí)行即時(shí)通話的網(wǎng)絡(luò)電話應(yīng)用時(shí) ， 使用同步傳輸模式是很好的選擇 。 鍵盤(pán) 、操縱桿和鼠標(biāo)就屬于這一類型 。 這種類型的設(shè)備適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸 ， 可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)的傳輸完成之后再傳輸和接收數(shù)據(jù) 。 通常情況下 ， 同步方式和中斷方式的傳輸會(huì)占據(jù)整個(gè)帶寬的 90%剩下的就安排給控制方式傳輸數(shù)據(jù) 。 支持最多 5 個(gè) Hub 層以及127 個(gè)外設(shè) 。 圖 33 USB電纜定義 其中 ， D+和 D是一對(duì)差模的信號(hào)線 ， 而 VBus和 GND則提供了 +5V的電源 ， 它可以給一些設(shè)備 (包括 Hub)供電 ， 但也 要有一定的條件限制 。 USB信號(hào)線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線 ， 而且最長(zhǎng)不能超過(guò) 5m；而在低速模式時(shí)中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線 ， 但最長(zhǎng)不能超過(guò) 3m。 所有的設(shè)備都有上行的接口 。任何操作都是從主機(jī)開(kāi)始的，主成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 機(jī)以預(yù)先排好的時(shí)序，發(fā)出一個(gè)描述操作類型、方向、外設(shè)地址以及端點(diǎn)號(hào)的包，我們稱之為令牌包 (Token Packet)。 SYNC 的最后兩位作為一個(gè)記號(hào)表明PID 域 (標(biāo)識(shí)域 )的開(kāi)始 。 如果外設(shè)接收到一個(gè) PID， 它所指明的操作類型或者方向不被支持 ， 外設(shè)將不作響應(yīng) 。 ADDR 共 6 位 ， 因此最多可以有 127 個(gè)地址 。 所有的設(shè)備必須支持一個(gè)控制端點(diǎn) 0(endpoint0)。這個(gè)域只存在于每幀開(kāi)始時(shí)的 SOF 令牌中。 其中 IN、 OUT、 SETUP 的格式如圖 34所示 。 對(duì)于 SOF 包 ， 它的格式如圖 35 所示 。 這兩種包的定義是為了支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)同步 。 只有支持流控制的傳輸類型 （ 控制中斷和批傳輸 ） 才能返回 Handshake。 特殊包（ Special） :PID 名稱為 PRE（ preamble） ,用于低速操作的情形 。 圖 39批操作讀寫(xiě)過(guò)程 控制操作 (control transaction):主要包括兩個(gè)操作階段 （ transaction stage） :設(shè)置和狀態(tài) 。 圖 312中斷操作流程 同步操作 （ isochronous transaction） : 同步操作不同于其他類型 ， 如 圖313所示，其 只包含兩個(gè)階段 ： 令牌和數(shù)據(jù) 。這一同步過(guò)程是通過(guò) Data0和 Data1的 PID以及發(fā)送者與接收者上的數(shù)據(jù)觸發(fā)序列位 （ data toggle sequence bit） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 同步傳輸方式不支持?jǐn)?shù)據(jù)觸發(fā)同步 。如果數(shù)據(jù)可以被接收，并且兩者的序列位匹配，則該數(shù)據(jù)被接收并且發(fā)送 ACK，同時(shí)接收者的序列位被觸發(fā)。 圖 317 是一次低速的輸入操作 ， 主機(jī)發(fā)送令牌與應(yīng)答包并且接收了一個(gè)數(shù)據(jù)包 。在接收到 EOP信號(hào)之后， Hub關(guān)閉低速設(shè)備的端口。 USB 具有檢查錯(cuò)誤的能力 ， 并且可以根據(jù)傳輸類型的要求進(jìn)行相應(yīng)的處理 。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第 4 章 PC 與單片機(jī)通過(guò) USB 的 通信設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 方案 選擇 由于 實(shí)際應(yīng)用中單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理能力、人機(jī)交互等方面往往不能滿足要求 , 因而通常用 PC 來(lái)彌補(bǔ)單片機(jī)的這些不足。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能 , 就涉及到 PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信問(wèn)題。而隨著 USB 接口技術(shù)的成熟和使用的普及，由于 USB 接口有著一系列 RS232(DB9)串 口無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)， RS232(DB9)串口正在逐步的為 USB 接口所替代。 （ 3） USB 接口占用體積較小，插拔方便；而 RS232(DB9)串口的的插拔需要使用改錐，且在機(jī)箱后操作，比較麻煩。由于 AT89C51 單片機(jī)具有集成度高、面向控制、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn) , 因而在智能化儀器儀表、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量等方面有著廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)有： （ 1）提供全速 USB 設(shè)備借口，兼容 ，外圍設(shè)備只需要晶體和電容； （ 2）可通過(guò)外部的低成本串行 EPROM 定義廠商 ID，產(chǎn)品 ID，序列號(hào)等； （ 3）成本低廉，可直接轉(zhuǎn)換原串口外圍設(shè)備； （ 4）采用 SOP28 封裝，串口應(yīng)用還提供小型的 SSOP－ 20封裝。 圖 42 USB 通信模塊電路圖 其中，電源電壓為 5V， USB接口的差分?jǐn)?shù)據(jù)線對(duì)與 CH341T 的 UD和 UD+直接相連。在 5V 電源的情況下， V3 口需要外接 的退耦電容。 硬件驅(qū)動(dòng)程序安裝 在 網(wǎng)站 可下載 CH341T 驅(qū)動(dòng)程序 ，在確認(rèn)驅(qū)動(dòng)程序和硬件電路無(wú)誤后，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)程序。在計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器中，可顯示剛剛安裝成功的 USB 串口。 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù) 據(jù) 結(jié)束 處理 USB Setup包 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 部分 關(guān)鍵代碼如下： void main(void) { init_port()。 /*定義數(shù)據(jù)地址 */ // D12_COMMAND = 0xfb03。 /*不使用 DMA 功能 */ = 0。 /*發(fā)送 數(shù)據(jù) usbserve()。1))。j++) printf(n %d\n， ch[j])。若要使單片機(jī)串口能夠同 PC機(jī)正常通信，單片機(jī)和 USB 接口需要使用相同的通信協(xié)議，在設(shè)備管理器中，可設(shè)置串口破特率為 9600。定時(shí)器 T1為方式 2 MOV TL1， DFDH。等待中斷 ORG 0023H。接收數(shù)據(jù) MOV B1， A MOV SBUF,A。因此，本次 USB 通信模塊的調(diào)試使用該串口調(diào)試工具完成PC 機(jī)同單片機(jī)的通信。觀察接收文本框，可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)成功接收到單片機(jī)回送的 8 位數(shù)據(jù)。 通過(guò)測(cè)試，該 USB 通信模塊 基本 能 達(dá)到如下 設(shè)計(jì) 要求 ： （ 1）通過(guò) USB 接口實(shí)現(xiàn)串口通信，能夠在 USB 接口上完成以往需要使用RS232(DB9)進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)設(shè)備的通信； 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 （ 2）支持熱插拔，驅(qū)動(dòng)程序一次安裝即可永久使用，不必在每次插拔后重啟計(jì)算機(jī)； （ 3）硬件電路簡(jiǎn)單，外圍器件少，制作方便， 成本低廉； （ 4）可移植性強(qiáng)，支持絕大多數(shù)型號(hào)的單片機(jī)；可擴(kuò)充性好，用戶可根據(jù)需要擴(kuò)充各種功能，可自定義廠商 ID 和產(chǎn)品序列號(hào)。它結(jié) 合了單片機(jī)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和微機(jī)對(duì)圖形處理、顯示的優(yōu)點(diǎn)。 但是 USB 接口逐 步取代 RS232(DB9)串口已是大勢(shì)所趨，單片機(jī)同計(jì)算機(jī)的 USB 通信在實(shí)際工作中的應(yīng)用范圍也將越來(lái)越廣。感謝我的班主任 XX老師 以及各位 任課老師 ，謝謝 您 們 在這四年中為我們?nèi)嗨龅囊磺校?您們 不求回報(bào)，無(wú)私奉獻(xiàn)的精神很讓我感動(dòng)，再次向 您們表示由衷