USB-RS232技術(shù)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造中的應(yīng)用

黃峰亮,朱簫笛

摘要:傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是通過RS232串口、并口等來連接計(jì)算機(jī)完成仿真、調(diào)試、測(cè)量等功能。USB的應(yīng)用使實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了即插即用、高速傳輸并且可以使實(shí)驗(yàn)設(shè)備與計(jì)算機(jī)的連接更為方便可靠。

關(guān)鍵詞:USB-RS232;實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造;PL-2303

一、 引言

在以前串行通信(RS-232C標(biāo)準(zhǔn))由于其接口電路簡(jiǎn)單、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,特別是在單片機(jī)仿真、傳感器測(cè)量、信號(hào)采集等設(shè)備的通信與傳輸中。隨著仿真、測(cè)量的技術(shù)發(fā)展數(shù)據(jù)傳輸量不斷提高,RS232的不可靠性和不便捷性、速度慢等問題越來越突出。特別是USB的廣泛應(yīng)用,PC與外部設(shè)備的連接與數(shù)據(jù)傳輸越來越多采用了USB接口,有些PC機(jī)已經(jīng)不再提供RS232接口。而且RS232串行通信,也存在著很多缺點(diǎn),如:通信電壓高(±15V)、通信速度慢、不支持即插即用等。由于串行通信電壓高并且不支持熱拔插,傳統(tǒng)的RS232接口實(shí)驗(yàn)設(shè)備在教學(xué)過程中使用頻繁、學(xué)生操作不當(dāng)?shù)仍?造成接口松動(dòng)、接觸不良等,很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備和PC機(jī)主板上RS-232C接口的損壞,不但浪費(fèi)精力、財(cái)力,而且影響教學(xué)效果。通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是眾多計(jì)算機(jī)廠商和電訊廠商共同開發(fā)的用于計(jì)算機(jī)外設(shè)連接到計(jì)算機(jī)的規(guī)范,符合Microsoft的即插即用規(guī)范。此外,它能以菊鏈(daisy-chaining)形式同時(shí)連接127個(gè)外設(shè),其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)每秒4Mb～12Mb并能向外設(shè)提供500mA的電流。

二、 改造方案

(1)USB技術(shù)簡(jiǎn)介。USB 主要包括三大部分。主機(jī)(Host):實(shí)際上就是USB 連接的拓?fù)渲行?是所有計(jì)算機(jī) USB 設(shè)備的集合點(diǎn)。具有 Host 功能的硬件叫做 USB 主控器 (USB host controller),一般集成在 PC 機(jī)或者 USB 附加設(shè)備上。集線器(Hub):允許 USB 設(shè)備共享一個(gè) USB 主控器(USB host controller),計(jì)算機(jī)后面板上的 Hub 被稱為根集線器 (root Hub),另外擴(kuò)展 USB 集線器(External USB hubs)能夠讓計(jì)算機(jī)連接更多外設(shè)。功能 (function):就是指的 USB 設(shè)備。每一個(gè) USB 設(shè)備都提供一種功能,當(dāng)然,多功能 USB 設(shè)備也就能提供多種功能了。USB 設(shè)計(jì)的初衷就是簡(jiǎn)單、易用,所以整合了電源線和數(shù)據(jù)線,其中兩根芯線用于提供電源,另外兩根芯線用于數(shù)據(jù)通信。

(2)硬件方面。PROLIFIC 公司推出的 USB TO RS232 接口轉(zhuǎn)換芯片 PL-2303HX,彌補(bǔ)了業(yè)界此類轉(zhuǎn)換芯片的空白。PL-2303HX 提供一個(gè)RS-232 全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的解決方案。PL-2303HX 的高兼容驅(qū)動(dòng)可在大多數(shù)操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM 端口,并允許基于COM 端口之應(yīng)用很方便地轉(zhuǎn)換成 USB 接口應(yīng)用。利用 USB大容量傳輸模式、大型數(shù)據(jù)緩沖器和自動(dòng)流量控制的優(yōu)勢(shì), PL-2303HX 有能力達(dá)到比傳統(tǒng)通用異步收發(fā)端口更高的吞吐量。當(dāng)不要求是標(biāo)準(zhǔn) RS-232 信號(hào)時(shí),波特率可高于115200bps,用于更高性能的應(yīng)用,靈活的 PL-2303HX 波特率發(fā)生器能被編程而產(chǎn)生從 75bps～6,000,000bps 之間的任何需要的波特率。PL-2303HX 是專為移動(dòng)設(shè)備和嵌入式的解決方案著想,提供一個(gè)能很容易裝配到任何連接器和掌上設(shè)備的小型芯片。PL-2303HX 無論在工作中或等待模式中消耗的電量都非常少,可留給連接的設(shè)備許多的電能。與 RS-232 串行端口的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一樣靈活,允許 PL-2303HX 直接連接 1.8V～3.3V 的設(shè)備。PL-2303HX 除外接晶振電路和少數(shù)幾個(gè)電容外,不需其他的外部元件,其輸入、輸出口與 TTL 電平兼容,可直接與MCU 的串行口連接。此外,PL-2303HX 與RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片配合,可以將已具有 RS232 通信接口的移動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)換為可即插即用的 USB 設(shè)備。對(duì)于具有 RS232 通信接口的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)醫(yī)療設(shè)備,只需用 PL-2303HX 芯片取代原有的 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片,原 MCU 中的通信軟件不需作任何修改,即可升級(jí)為具有 USB 功能的USB 設(shè)備。對(duì)于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來說,也不用考慮復(fù)雜的 USB通信協(xié)議,軟件的編寫可以完全按照過去的串行通信格式編寫,MCU 將數(shù)據(jù)傳輸給 PL-2303HX 后,PL-2303HX 將從其 DM、DP 端按照 USB 協(xié)議傳送出去;從 DM、DP 接收到的數(shù)據(jù),經(jīng)過內(nèi)部的處理后,將從 TXD、RDX端按照串行通信的格式傳輸給 MCU。對(duì)于主機(jī)來講,當(dāng)連接到 PL-2303HX 芯片構(gòu)成的 USB 設(shè)備時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)新的設(shè)備并要求安裝新設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,此時(shí)可以選擇廠家提供的 SERSPL.VXD 虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。虛擬程序安裝后,主機(jī)把 USB 設(shè)備虛擬為一個(gè)串行通信設(shè)備,因此用戶在主機(jī)上編寫通信程序時(shí),可以按照常規(guī)的串行通信格式進(jìn)行編寫,而不必考慮 USB 通信的各種協(xié)議。

(3)改造及效果。在實(shí)際工作中,對(duì)我校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行通信接口改造。以PL-2303HX芯片為主要元器件,把原有的RS232接口改造成USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通訊。在PC機(jī)上安裝好USB-RS232驅(qū)動(dòng)程序后,再把原有單片機(jī)仿真調(diào)試軟件的串口通訊參數(shù)重新設(shè)置成新的USB虛擬串口的設(shè)備號(hào),就可以正常試用了。該項(xiàng)目實(shí)施后,將達(dá)到如下效果:有效解決目前因串行口問題引起的單片機(jī)仿真器和計(jì)算機(jī)主板大量頻繁損壞的問題;實(shí)現(xiàn)規(guī)范的USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng),使單片機(jī)仿真軟、硬件連接簡(jiǎn)單快捷,不增加使用難度;保證通信速度達(dá)到115200 B/S以上符合試驗(yàn)系統(tǒng)最高通信速度需要;不改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀。在原實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)增加電路、利用原有接口,不重新打孔。

結(jié)束語:總之,采用 PL-2303HX 和 SERSPL.VXD 后,主機(jī)和USB 設(shè)備之間的通信構(gòu)成了一個(gè) RS232 —USB —RS232 的過程,用戶在主機(jī)和用戶端均可按照標(biāo)準(zhǔn)的串行通信進(jìn)行處理。而在主機(jī)與 USB 設(shè)備之間的通信,是按照 USB 的高速進(jìn)行傳輸,同時(shí)具有即插即用的功能。采用 PL-2303HX,為傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)醫(yī)療設(shè)備的改造、新實(shí)驗(yàn)設(shè)備的快速開發(fā)和應(yīng)用,提供了廣闊的前景。

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(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院)