【正文】 。串行通信的 特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)位傳送 ，按位順序進(jìn)行，最少只需要一根傳輸線即可完成，成本低但傳送速度快， 串行通信的距離可以從幾米到幾千米 。 PC機(jī)具有強(qiáng)大的監(jiān)控和管理能力，而單片機(jī)則具有快速及靈和的控制特點(diǎn)，通過 PC機(jī)的RS232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，是許多測控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案。而在現(xiàn)在的大多數(shù)筆記本電腦中，出于節(jié)省物理空間和用處不大等原因， RS232(DB9)串口已不再設(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。本文所介紹的單片機(jī)和 PC機(jī)的 USB通信方法，電路簡單，兼容性好，可移植性強(qiáng)，故可作為單片機(jī)同計(jì)算機(jī)的 USB通信模塊廣泛應(yīng)用于工業(yè)和電子產(chǎn)品 的開發(fā)中。 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 USB實(shí)現(xiàn)串行通信 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 成都理工大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 串行通信基礎(chǔ) 串口通信的基本知識 并行通信與串行通信 微機(jī)的信息交換有兩種方式 進(jìn)行：串行通信方式和并行通信方式。從 IBM個人電腦和兼容式電腦的時代開始，幾乎所有的計(jì)算機(jī)都配有一個或多個串行端口和一個并行端口。相反，一個并行端口一次發(fā)送和接收 8位數(shù)據(jù)，使用 8個單獨(dú)的 線路 。對于并行通信，你需要采用 8條導(dǎo)線。圖 21顯示了 使用串行口連接到計(jì)算機(jī)的 設(shè)備。 一個串行設(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間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，被稱為全雙工設(shè)備。 開始傳輸時，設(shè)備先發(fā)送一個起始位，其次是數(shù)據(jù)位。兩個發(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。一個停止位可以是一位，一個半位，或兩位。波特率通常以每秒的位數(shù)（ bps）來計(jì)量。 為了檢測數(shù)據(jù)已被正確發(fā)送，一個可選的校驗(yàn)位可以同數(shù)據(jù)位在一起。使用校驗(yàn)位提供了一個基本的機(jī)制，以檢測已發(fā)送數(shù)據(jù)損壞，但不保證檢查數(shù)據(jù)本身的錯誤。 大多數(shù)串行端口使用 RS232C 標(biāo)準(zhǔn) ,它 指定了一個連接器 25 針或 9 針 (見圖22)。 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 。 并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。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。如果在任意時刻，信息既可由 A 傳到 B，又能由 B 傳 A，但只能由一個方向上的傳輸存在，稱為半雙工傳輸。 電話線就是二線全雙工信道。雙工信道有時也將收、發(fā)信道分開，采用分離的線路或頻帶傳輸相反方向的信號，如回線傳輸。但單工目前已很少采用，下面僅介紹前兩種方式。采用半雙工方式時，通信系統(tǒng)每一端的發(fā)送器和接收器，通過收 /發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)接到通信線上，進(jìn)行方向的切換，因此，會產(chǎn)生時間延遲。 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，在半雙工方式中，輸入過程和輸出過程使用同一通路。 目前多數(shù)終端和串行接口都為半雙工方式提供了換向能力，也為全雙工方式提供了兩條獨(dú)立的引腳。 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，通信雙方都能在同一時刻進(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。全雙工方式無需進(jìn)行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時間延遲，這對那些不能有時間延誤的交互式應(yīng)用（例如遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)）十分有利。 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)送和接收都需要時鐘來控制。接收端和發(fā)送端必須保持步調(diào)一致，否則數(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)差錯。 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，每個字符都要附加 1位起始位和 1位停止位，以標(biāo)記一個字符的開始和結(jié)束，并以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。起始位對應(yīng)于二進(jìn)制值 0，以低電平表示，占用 1位寬度。一個字符占用 5~8 位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。此外，還要附加 1位奇偶校驗(yàn)位，可以選擇奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)方式對該字符實(shí)施簡單的差錯控制。典型的速率有： 9600 b/s、 、 56kb/s等。例如，計(jì)算機(jī)與 Modem 之間的通信就是采用這種方式。例如，在使用 Modem 上網(wǎng)時，普遍感覺速度很慢，除了傳輸速率低之外，與通信開銷大、通信效率低也密切相關(guān)。每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部都要附加一個特殊的字符或比特序列，標(biāo)記一個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束，一般還要附加一個校驗(yàn)序列 (如 16位或 32 位 CRC校驗(yàn)碼 )，以便對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行差錯控制。 和異步傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸單位的加長容易引 起時鐘漂移?？梢栽诎l(fā)送器和接收器之間提供一條獨(dú)立的時鐘線路，由線路的一端（發(fā)送器或者接收器）定期地在每個比特時間中向線路發(fā)送一個短脈沖信號，另一端則將這些有規(guī)律的脈沖作為時鐘。另一種方法是通過采用嵌有時鐘信息的數(shù)據(jù)編碼位向接收端提供同 步信息。 USB 可把多達(dá) 127 個外設(shè)同時聯(lián)到你的系統(tǒng)上 ， 所有的外設(shè)通過協(xié)議來共享 USB 的帶寬 ， 其 12Mbps 的帶寬對于鍵盤 ， 鼠標(biāo)等低中速外設(shè)是完全足夠的 （ 注 ： 在 1999 年 2月發(fā)布的 USB 規(guī)范版本 草案中 ， 已建議將 12Mbps 的帶寬提升到 120240Mbps。 USB 允許外設(shè)在主機(jī)和其它外設(shè)工作時進(jìn)行連接 、配置 、 使用及移除 ， 即所謂的即插即用 （ Plugamp。 同時 USB 總線的應(yīng)用可以清除 PC 上過多的 I/O 端口 ， 而以一個串行通道取代 ， 使 PC 與外設(shè)之間的連接更容易 。 為了進(jìn)一步敘述 ， 我們給出端點(diǎn) (endpoint)和管道 (pipe)的概念。每個端點(diǎn)實(shí)際上就是一個一定大小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這些端點(diǎn)在設(shè)備出廠時就已定義好。每個端點(diǎn)都有一定的特性。端點(diǎn)必須在設(shè)備配置后才能生效 (端點(diǎn) 0除外 )。用于設(shè)備初始化參數(shù)等。 管道：一個 USB管道是驅(qū)動程序的一個 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)與一個外設(shè)端點(diǎn)的連接，它代表了一種在兩者之間移動數(shù)據(jù)的能力。管道有兩種類型，數(shù)據(jù)流管道（其中的數(shù)據(jù)沒有 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)）管道只是一個邏輯上的概念。通過控制管道可以獲取完全描述 USB設(shè)備的信息，包括：設(shè)備類型、電源管理、配置、端點(diǎn)描述等等只要設(shè)備連接到 USB上并且上電端點(diǎn) 0就可以被訪問與之對應(yīng)的控制管道就存在了。 最底層是總線接 口，用來發(fā)送與接收包。一個端點(diǎn)是數(shù)據(jù)最終的使用者或提供者，它可以看作數(shù)據(jù)的源或接收端。 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 。 USB的系統(tǒng)只有一個端口和一個中斷 ， 節(jié)省了系統(tǒng)資源 。 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直接連接到 Hub或者是連接到 Host的設(shè)備可以通過 USB電纜供電 ， 也可以通過電池或者其它的電力設(shè)備來供電 ， 或使用兩種供電方式的組合 ， 并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式 。 ， 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 。 7. USB的端口具有很靈活的擴(kuò)展性 ， 一個 USB端口串接上一個 USB Hub就可以擴(kuò)展為多個 USB端口 。 如果是從硬件開始來設(shè)計(jì)整個的系統(tǒng) 那 還要正確選擇傳輸?shù)姆绞?， 而作為一個驅(qū)動程序的書寫者就只需要弄清楚 其 采用的什么工作方式就行了 。 (Control)方式傳輸 :控制傳輸是雙向傳輸 ,數(shù)據(jù)量通常較小 。 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 。 (isochronous)方式 ： 傳輸同步傳輸提供了確定的帶寬和間隔時間latency)。 例如 ， 執(zhí)行即時通話的網(wǎng)絡(luò)電話應(yīng)用時 ， 使用同步傳輸模式是很好的選擇 。對于同步傳輸來說 ， 即時的數(shù)據(jù)傳遞比完美的精度和數(shù)據(jù)的完整性更重要一些 。 鍵盤 、操縱桿和鼠標(biāo)就屬于這一類型 。 (bulk)傳輸 ： 主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)大量 傳輸和接受數(shù)據(jù)上 ， 同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下 ， 要求保證傳輸 。 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) 。 每個設(shè)備每幀只能傳輸一個同步的傳輸包 。 通常情況下 ， 同步方式和中斷方式的傳輸會占據(jù)整個帶寬的 90%剩下的就安排給控制方式傳輸數(shù)據(jù) 。 PC 機(jī)就是主機(jī)和根 Hub， 用戶可以將外設(shè)或附加的 Hub 與之相連 。 支持最多 5 個 Hub 層以及127 個外設(shè) 。 USB 的物理層 USB的物理接口包括電氣特性和機(jī)械特性 。 圖 33 USB電纜定義 其中 ， D+和 D是一對差模的信號線 ， 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 。 這兩種模式可以同時存在于一個 USB系統(tǒng)中 。 USB信號線在高速模式下必須使用帶有屏蔽的雙絞線 ， 而且最長不能超過 5m；而在低速模式時中可以使用不帶屏蔽或不是雙絞的線 ， 但最長不能超過 3m。 為了提供信號電壓保證 ， 以及與終端負(fù)載相匹配 ， 在電纜的每一端都使用了不平衡的終端負(fù)載 。 所有的設(shè)備都有上行的接口 。 插頭與插座有 A和 B兩個系列 ， 系列 A用于基本固定的外圍設(shè)備 ， 而系列 B 用于經(jīng)常拔插的設(shè)備 ， 這兩個系列是不能互換的 。任何操作都是從主機(jī)開始的，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)先排好的時序，發(fā)出一個描述操作類型、方向、外設(shè)地址以及端點(diǎn)號的包，我們稱之為令牌包 (Token Packet)。而數(shù)據(jù)的目的 地一般要以一個確認(rèn)包(Handshake Packet)來 作出響應(yīng)以表明傳輸是否成功。 SYNC 的最后兩位作為一個記號表明PID 域 (標(biāo)識域 )的開始 。 主機(jī)和所有的外設(shè)都必須對接收到的 PID域進(jìn)行解碼 。 如果外設(shè)接收到一個 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) 。 外設(shè)必須解讀這兩個域 ，