剖析USB接口在串行通信中的應(yīng)用

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1 USB接口簡介

USB即通用串行總線，可以實現(xiàn)熱插拔，采用菊花鏈結(jié)構(gòu)？最多可以同時連接127臺設(shè)備，由總線提供電源，并有檢錯、糾錯功能以保證數(shù)據(jù)正確傳輸。

USB在PC機上應(yīng)用時，PC機的操作系統(tǒng)需要支持USB協(xié)議，此時PC機上的軟件包括兩部分：USB初始化軟件和運行部分。前者對外設(shè)進行構(gòu)造并定義一個唯一的標識，這就是所謂的列舉過程，以獲得每個外設(shè)的描述表。

另外USB主機端軟件分層為多種外設(shè)的類，如大存儲器外設(shè)、通訊外設(shè)、音頻外設(shè)、人機接口外設(shè)等。

USB數(shù)據(jù)線傳送差分信號，所有通信由根集線器初始化，并由外部集線器復制，其連接為點到點，采用半雙工。USB數(shù)據(jù)線上無時鐘信號，故節(jié)點間為異步通訊，總線上所有外設(shè)的額定通信速率為12MHz，外設(shè)采用過采樣方式從總線上接收信號。接收器依賴于有規(guī)律的信號變化以保持與發(fā)送器的同步，USB規(guī)格書中采用不歸零翻轉(zhuǎn)以實現(xiàn)其數(shù)據(jù)線的發(fā)送編碼。

2 USB到RS-232轉(zhuǎn)換器

RS-232是個流行的接口。在MS-DOS中，四個串行接口稱為COM1、COM2、COM3和COM4，而絕大部分windows應(yīng)用程序最多可以有4個外設(shè)，但是如果用戶要擴充更多外設(shè)時，就必須要用插入式串行卡或者外部開關(guān)盒實現(xiàn)。

RS-232點對點連接，一個串口只能連接一個外設(shè)。而USB是一種多點、高速的連接方式，采用集線器能實現(xiàn)更多的連接。USB接口的基本部分是串行接口引擎SIE，SIE從USB收發(fā)器中接收數(shù)據(jù)位，轉(zhuǎn)化為有效字節(jié)傳送給SIE接口；反之，SIE接口也可以接收字節(jié)轉(zhuǎn)化為串行位送到USB總線。

圖1為轉(zhuǎn)換器加串行外設(shè)示意圖。在轉(zhuǎn)換器和外設(shè)接收器端各有一個微控制器，實際上這兩個微控制器可以合并，可采用MCS-51系列控制器或者I2C總線的微控制器實現(xiàn)。

圖2為使用外部USB連接的微控制器示意圖，通用微控制器選用MCS-51，USB外圍芯片是Philips的PDIUSBD11，該芯片帶有I2C接口，其SIE接口包括一個中斷和一個較大寄存器，用于對I2C總線的存取。當一個數(shù)據(jù)包來到時，PDIUSBD11將其中斷線拉低，微控制器轉(zhuǎn)入中斷處理程序，首先讀取PDIUSBD11的中斷狀態(tài)寄存器，然后再讀取其他寄存器的值，以獲得數(shù)據(jù)包類型和包中數(shù)據(jù)。每次傳送完一個數(shù)據(jù)包均會產(chǎn)生一次中斷請求，中斷處理程序監(jiān)視控制序列并檢測所有錯誤。

3 用USB連接56kbps modem設(shè)計

USB協(xié)議中包括一個通信類，定義了一種結(jié)構(gòu)，以囊括所有用于遠程通信服務(wù)和中速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)備。這樣，外設(shè)就可以將自身標識為一個通信類的外設(shè)。

3.1 傳統(tǒng)的modem結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)modem一般包括：

·微控制器：以對控制碼譯碼（AT命令集）

·數(shù)字信號處理器（DSP）：對信號調(diào)制和解調(diào)

·模擬調(diào)制和解調(diào)電路

·數(shù)據(jù)存取管理電路

·隔離器：將高電壓或高電流隔離電話線

3.2 簡化設(shè)計

由于PC機串口的最高速率為115.2kbps，這樣在圖3的結(jié)構(gòu)中會形成一個速度瓶頸。RS-232系統(tǒng)包括2個串行信號路徑，其方向相反，分別用于傳輸命令和數(shù)據(jù)，而命令和狀態(tài)必須與數(shù)據(jù)交織在一起；而USB支持分離的命令和數(shù)據(jù)通道并允許獨立的狀態(tài)報告。

在Windows操作系統(tǒng)中，通信層的UniModem驅(qū)動程序（圖4所示）可以實現(xiàn)modem命令集。微軟的VCOMM口驅(qū)動軟件可以重新定位原先面向串行口的輸出，將之直接傳給Windows外設(shè)驅(qū)動模塊（WDM-Windows Device Driver Model）的類驅(qū)動器，由WDM類驅(qū)動器將輸出送到USB外設(shè)。而采用相反的順序則可將由USB外設(shè)的輸入送至Unimodem驅(qū)動器并最終回到應(yīng)用程序。

另外，由于PC主機有足夠的處理能力，在處理用戶應(yīng)用程序的同時，完全可以實現(xiàn)實時信號處理，并且Intel在其處理器中保留了MMX指令集。該指令集有DSP算法的優(yōu)點，同時又是通過“軟”處理實現(xiàn)，且相對于物理的DSP芯片，該指令集的信號處理算法可以方便地升級。

通過“軟處理”，傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器中只保留了調(diào)制級、信號隔離器和一個數(shù)據(jù)存取管理器。圖5即為簡化了的設(shè)計，帶有一個變壓器用作隔離器。

本文討論了USB接口技術(shù)在串行通信中的應(yīng)用，通過在外設(shè)中加入一個微控制器，并利用幾個Windows支持的通信類，簡化了傳統(tǒng)USB接口modem的設(shè)計。文中給出了一個實際modem的簡化設(shè)計，利用LabView軟件和VB語言可以對該modem進行仿真模擬。

參考文獻

1 USB Specification V1.1

2 Device Class Definition for Audio V1.0

3 Device Class Definition for Communications V1.1

4 張汝春． USB新技術(shù)．北京：清華大學出版社？2002

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