RS232接口转USB接口的通信方法
摘要：SP3223E/3243E是SIPEX公司生产的RS-232收发器接口芯片。该器件内部含有一个高效电荷泵，可在单+3.0V～+5.5V电源下产生±5.5V的RS-232电平，并支持EIA/TIA-232和ITU-TV.28/V.24通信协议，因而可用于笔记本电脑等便携式设备。文章分析了SP3223E/3243E的结构原理和主要特点，给出了它的典型应用电路。
关键词：电荷泵;自动上线;驱动器;收发器
1 概述
SP3223E/3243E是SIPEX公司生产的RS-232收发器，它支持EIA/TIA-232和ITU-T V.28/V.24通信协议，适用于便携式设备使用(如笔记本电脑及PDA)。SP3223E/3243E内有一个高效电荷泵，可在单+3.0V～+5.5V电源下产生±5.5V的RS-232电平，该技术已申请了美国专利(专利号为U.S.--5?306?954)。满负载时，SP3223E/3243E器件可工作于235kbps的数据传输率。3.3V时仅需0.1μF的电容。SP3223E是一个双驱动器/双接收器芯片，SP3243E则是一个三驱动器/五接收器芯片，是笔记本电脑或PDA的理想器件。SP3243E 包含一个总是处于激活状态的补充接收器，可在关断状态下监控外设(如调制解调器)。由于具有自动上线特性，因此，当其与一个相关外设之间接上RS-232电缆并处于工作状态下时，设备会自动醒来。否则，如果电流不足1mA，设备会自动关断。
SP3243E包含一个补充接收器，当电源断开时，该接收器可保护UART或串行控制器芯片。SP3223E和SP3243E是敏感电源设计的理想选择。SP3223E和SP3243E的自动上线电路减少了电源电流降到1mA以下的可能性。在大多数便携式应用场合，RS-232电缆可被断开或是将外设关闭。在上述情况下，其内部的电荷泵和驱动器也会被关闭。否则系统会自动上线工作。这样，设计人员就可在不改变主要设计的情况下节省电源损耗。
SP3223E/3243E的主要特点如下：
●在+3.5V～+5.5V单电源下符合EIA/TIA-232-F标准。
●可十分方便地在EIA/TIA-232标准下使用，而且在EIA/TIA-562标准下使用时，其电源可降至+2.7V。
●在睡眠状态下，当关断电流达到1μA时，自动上线电路会被唤醒。
●有负载时的最小数据传输率为120kB/s。
●尽管电源范围波动，由于电荷泵可调，RS-232输出仍较稳定。
●带有以下ESD防护功能：
+15kV人体模式;
+15kV IEC1000-4-2 空间放电;
+8kV IEC1000-4-2 接触放电。
(本网网收集整理)
2 SP3223E/3243E的引脚说明
SP3223E/3243E有DIP、SSOP、SOIC、TSSOP等几种不同的封装形式，图1为DIP封装的管脚排列。
3 结构原理
SP3223E和SP3243E系列器件内部由驱动器、收发器、SIPEX专有电荷泵、自动上线电路四个基本电路块组成。
3.1 驱动器
驱动器实际上是一个反转电平发送器，可用于把TTL或CMOS逻辑电平转换成5.0V EIA/TIA-232电平，以使其与输入的逻辑电平正好相反。该驱动器遵从EIA-TIA-232F 和所有以前版本的RS-232协议。
驱动器可工作在数据传输率为235kbps的情况下。在3kΩ负载与1000pF电容并联的满负荷情况下，其数据传输率为120kbps，并可保证PC―PC之间通信软件的协调性。驱动器的输出变化率被内部限制为最大不超过30V/ms，以符合EIA标准(EIA RS-232D 2.1.7?第5段)。实际上，负载输出从高电平变为低电平也符合此标准。
3.2 接收器
接收器可将±5.0V的EIA/TIA-232电平转换为TTL或CMOS逻辑输出电平。所有接收器的反转输出都可通过EN引脚被禁止。当自动上线电路有效或系统为关闭状态时，接收器处于激活状态。当系统关闭时，接收器始终处于激活状态。如果接收器在超过100μs的时间里没有参与任何活动或是SHUTDOWN为低电平，芯片会进入待命状态，此时电流会降到1μ
A以下。驱动EN上的逻辑高电平可使接收器输出端进入高阻状态。
由于经过了电缆线和系统接口的衰减，接收器输入的信号有一个典型值为300mV的滞后区域。这一特性可确保接收器免于噪声干扰。设计时，一个输入端应悬空，内置的限流电阻应接地，接收器的输出端应为高电平。
3.3 电荷泵
电荷泵是SIPEX公司的专利技术(专利号U.S.5,306,954) ，与过去不成熟的设计相比，它采用了独一无二的新技术，该电荷泵需要四只外接电容，它使用四相电压变换技术来获取对称5.5V电源。内部电源由可调电荷泵组成，可提供5.5V输出电压。
电荷泵使用的一只内部振荡器通常工作在离散方式下。输出电压不足5.5V时将启动电荷泵。如果输出电压超过5.5V, 电荷泵将停止工作。其内部的振荡器主要用于控制四相电压的`变化。
3.4 自动上线电路
SP3223E/3243E器件可在关闭期间通过板上自动上线电路节约能量，可应用在笔记本电脑、掌上电脑?PDA?和其他便携式系统中。通过SP3223E/3243E器件内置的自动上线电路，器件可在外部发送器打开和接上电缆后自动处于工作状态。另一方面，当器件未被使用并进入待机状态，且电流降至1μA以下时，自动上线电路会使大多数内部电路处于无效状态。这项功能也可通过ONLINE引脚为逻辑低电平时激活自动上线功能来控制。一旦该功能被激活，器件将处于有效状态直至接收器输入端无任何活动。接收器输入端至少有±3V的电压可由电缆另一端的至少为±5V的发送器产生。当外部发送器为无效或电缆断开后，接收器输入将被内部5kΩ电阻下拉接地。而当超过一定时期后，内部发送器将无效，器件进入关闭或待机状态。当ONLINE为高电平时，自动上线方式无效。
4 典型应用电路
图2所示是由微处理器监控电路控制的接口电路。该电路主要通过SP3243E来实现，它既可以将接收到的RS-232电平转换为TTL/CMOS电平，也可以将准备发送的TTL/CMOS电平转换为RS-232电平。需要说明的是：当SP3223E和SP3243E器件被关闭后，器件中的电荷泵也会被关闭。此时，电荷泵的输出V+会被衰减为VCC?而输出V-则衰减为GND。衰减时间可根据电荷泵使用的电容器的大小来决定。电路关闭时，退出关闭状态并拥有有效的V+和V-所需的时间大约为20μs。
USB作为一种新的PC机互连协议,使外设到计算机的连接更加高效、便利。这种接口适合于多种设备,不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点,还能同时连接多达127个设备,解决了如资源冲突、中断请求(IRQs)和直接数据通道(DMAs)等问题。因此,越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准接口。而RS232是单个设备接入计算机时,常采用的一种接入方式,其硬件实现简单,因此在传统的设备中有很多采用了这种通信方式。一般的IC卡门禁考勤系统也使用RS232接口与PC机通信。如果将USB技术应用于IC卡门禁考勤系统与PC机之间的数据通信,这样,不仅能使IC卡门禁考勤设备具备USB通信的诸多优点,而且对PC机而言还可以节余1个RS232串口为其它通信所用。
二、USB系统概述
USB规范描述了总线特性、协议定义、编程接口以及其它设计和构建系统时所要求的特性。USB是一种主从总线,工作时USB主机处于主模式,设备处于从模式。USB系统所需要的唯一的系统资源是,USB系统软件所使用的内存空间、USB主控制器所使用的内存地址空间(I/O地址空间)和中断请求(IRQ)线。USB设备可以是功能性的,如显示器、鼠标或者集线器之类。它们可以作低速或者高速设备实现。低速设备最大速率限制在1.5 Mb/s,每一个设备有一些专有寄存器,也就是端点(endpoint)。在进行数据交换时,可以通过设备驱动间接访问它。每一个端点支持几种特殊的传输类型,并且有一个唯一的地址和传输方向。不同的是端点0仅用作控制传输,并且其传输可以是双向的。
系统上电后,USB主机负责检测设备的连接与拆除、初始化设备的列举过程,并根据设备描述表安装设备驱动后自动重新配置系统,收集每个设备的状态信息。设备描述表标识了设备的属性、特征并描述了设备的通信要求。USB主机根据这些信息配置设备、查找驱动,并且与设备通信。
典型的USB数据传输是由设备驱动开始的,当它需要与设备通信时,设备驱动提供内存缓冲区,用来存放设备收到或者即将发送的数据。USB驱动提供USB设备驱动和USB主控制器之间的接口,并将传输请求转化为USB事务,转化时需要与带宽要求及协议结构保持一致。某些传输是由大块数据构成的,这时需要先将它划分为几个事物再进行传输。
具有相似功能的设备可以组成一类,这样便于分享共有的特性和使用共同的设备驱动程序。每个类可以定义其自己的描述符,如:HID类描述符和Report描述符。HID类是由人控制计算机系统的设备组成的,它定义了一个描述HID设备的结构,并且表明了设备的通信要求。HID设备描述符必须支持端点输入中断,固件也必须包括一个报告描述符,表明接收和发送数据的格式。在IC卡门禁考勤系统引入RS232到USB的接口转换模块后,从系统所具有的特性来看,应该属于HID设备。因此,两种特殊的HID类请求必须被支持:SetReport和GetReport。这些请求使设备能接收和发送一般的设备信息给主机。在没有中断输出终端时,SetReport是主机发送数据给HID设备的唯一方式。
三、系统要求
为了实现IC卡门禁考勤系统中RS232-USB的接口转换,需要1台支持USB的主机,同时还要提供主机上用于与外设通信的驱动,一般由操作系统提供。此外,还需开发在主机上执行的客户端应用程序。在设备端,需要提供具有USB接口的主控制器芯片,以及编写主控制器上执行的USB通信代码和用于执行外设功能的相关代码。
1、主机要求
主机必须能够通过设备驱动接收USB数据,并且使这些数据对处理这些请求的应用程序有效。在主机中必须有一个驱动负责处理USB传输、辨识设备、向USB设备收发数据;同时,还需要有一个设备驱动-虚拟化串行口,仿效真实的串口。这个驱动必须能够像真实的串口接收和发送USB数据。
从应用的观点,设备驱动必须能收发数据,可以通过使用一个虚拟化的串口或通过转化为USB数据实现。微软提供了一个叫作USB POS的设备驱动,它允许应用程序访问USB设备时,好像它们连接到标准串口上一样。系统大致结构方框图如图1所示。
2、设备要求
在定义即将使用的微控制器时,必须说明一些通信要求,如:通信速率、频率、传输的数据量等。考虑到IC卡门禁考勤系统有效的通信速率,可以把转换器作为一个低速的设备使用,低速设备通信速度可以在10-100Kh/s的范围变化。考虑到传输的数据量和传输的频率,此系统中使用中断的传输类型。中断传输可以在2个方向进行,但不能同时进行,这种类型的传输要求在规定的时间里完成相当大数据量的传输任务。
对于转换模块,它可以用于PC机的数据收发,操作系统提供了HID驱动,允许使用中断传输模式。对于低速设备的一个事务,中断传输最大的包容量是8字节,如果需要发送大量的数据,则必须把它分割为很多事务。
转换模块要定义的另一个特性是所需端点数。如上所述,端点是微控制器在USB通信过程中所用来发送和接收数据的缓冲区。此系统中,该转换器定义了2个端点:一个端点(端点0)用来控制传输,另一个端点是中断输入端点,定义为发数据给PC机。
根据以上要求,通过研究比较现有的微控制器,考虑到如内存空间、价格和开发包等因素,我们选用Cypress家族的一种8位RISC微控制器CY7C634XX/5XX。它使用哈佛总线结构,是对较高I/O要求的低速应用设备的低价解决方案。图2为IC卡门禁考勤系统USB通信实现硬件方框原理图。
四、软件设计和执行
系统软件由6部分组成:定义描述符、设备检测和列举、端点中断服务程序、USB数据交换模块、串行口数据交换模块、USB/Serial模块接口。下面简要描述其中部分模块程序的功能和实现思想。
1、描述符定义
描述符是数据结果或信息的格式化块,它可以使主机知道这个设备。每个描述符包含了这个设备整体的信息或者某个元素的信息。所有的USB外设必须响应对标准的USB描述符的请求。
该系统中使用了1个接口和2个终端(控制和中断输入)。由于受Win98的限制还不能使用中断输出终端,因此为了解决这个问题,我们通过在端点0中使用SetReport传输PC机欲送往IC卡门禁考勤设备的数据。
数据接收是在Output Reports中完成的。它根据送往IC卡门禁考勤设备最大的数据量,系统定义为16K个8位域。发送数据给主机是在输入报告中完成的,它是8K个8位域。
2、设备检测和列举
当1个USB人机接口类(HID)设备第一次连接到总线,它将被总线供电但仍然非功能性等待1个总线复位。D-端的上拉电阻通知Hub连接上了新的设备,主机也同时知道了新连接的USB设备,并将它复位。紧跟输入包之后,主机发送1个配置包,从缺省地址0处读取设备描述符。读到描述符后,主机将分配一个新的地址给设备,并继续查询关于设备描述、配置描述、人机报告描述的信息,设备将开始对新分配的地址作出反应。根据从设备处返回的信息,主机知道了被设备支持的数据终端的数量,完成列举过程。列举结束后,Windows将把新的设备加入到控制面板的设备管理器中显示。
为此,在微控制器中必须写入访问描述符的代码,这样便于对主机在列举设备时发送的请求作出有效的辨识和响应。在设备方面需要创建一个INF文件,使Windows能够辨识设备,并且为设备找到其驱动。由于操作系统提供了简单的INF文件,因此,开发中只需要编写写入到微控制器中的程序。
3、数据发送和接收过程
发送数据到门禁考勤系统是通过控制端点0中使用SetReport来完成的。主机先向门禁考勤系统请求发送数据,设备响应请求后,主机便开始执行。当有数据到达设备的终端0时,将对设备产生一个中断。此时,相应的中断服务程序便将数据复制到数据缓冲区。一旦进入端点0的中断服务程序,所有的中断必须关闭,确保能够正确地复制数据。
微处理器的数据缓冲区编程为可以接收64个字节,这个值是存放在设置包的包头请求信息中。从主机处接收到的最大包大小,是根据它将发送给门禁考勤系统的最大数据量来决定的。
系统还使用了Put_command线程,通过1个I/O端口引脚,向门禁考勤系统串口发送数据。在执行此线程时,根据串口通信协议插入了起始位、停止位以及相应的延时。
从门禁考勤系统接收数据的过程是利用端点1完成的。端点1配置为1个中断输入端点,当有1个起始位到达引脚时,GPIO中断必须打开,并关闭所有其它类型中断。设计中通过使用1个Get_Serial线程来收集I/O引脚发出的串行数据,并把它存入数据缓冲区。同时该线程负责检验接收到的起始位和停止位的正确性。当收到8个字节时,将接收缓冲区中的数据复制到终端1的缓冲区,并且允许微处理器响应中断输入请求。
考虑到一般串行口的有效波特率的范围在300～19 200bps,我们按处于最大波特率19 200 bps的情况来考虑,传输1个字符需要时间接近0.75 ms;而1个输入中断大约每10 ms送1个8字节的数据包,因此,设计1个128字节的快速数据缓冲区便可以保证不会丢失数据。
五、结论
RS232-USB接口转换模块用于改进我们的IC卡门禁考勤系统,使用效果良好。
摘要：USB通用串行总线是计算机外设接口的发展趋势,已经取代PC机上的RS232协议串口,因此很多传统的RS232接口设备都将面临一个向USB接口转换的问题。本文以IC卡门禁考勤系统为例,提出一种方案,使传统的RS232接口转化为USB接口后直接通过USB总线接入PC,同时使IC卡门禁考勤设备增加了USB总线具有的热插拔、自动配置和智能电源管理等功能;着重剖析USB通信内核,探讨系统软硬件设计方案。
关键词：USB,人机接口设备
参考文献
[1]陈逸.USB大全[M].北京:中国电力出版社.2006.
[2]Axelson J.Usbhidio-Universal Serial Bus Human Interface Device Input/Output(I/O)Apphcation[EB/OL].http://www.lvr.com.
控制器局域网(CAN)是串行通信协议,它能有效支持高性能的分布式实时控制。Robert Bosch GmbH在1991年的CAN规范V2.0B中完整定义了CAN协议,其应用涵盖从高速网络到低成本多路复用线路的各种领域。汽车电子设备均是使用CAN以最大1 Mbit/s的传输速率连接的。CAN网络可以用来取代汽车中的线路连接以有效节约成本。CAN总线在噪声环境中的可靠性及其故障状态检测和从故障状态恢复的能力使其适用于DeviceNet、SDS和其他现场总线协议等工控应用。
CAN网络的应用日新月异,而RS232接口在PC机中非常普遍,利用Windows操作系统中自带的超级终端应用程序,通过RS232接口,将PC机接入CAN网络。通过这种方式,为测试、应用与检查CAN网络及其中的各个节点提供了一种低成本的解决方案。
1 CAN网络的基本知识
1.1 CAN简介
CAN是Controller Area Network的缩写,是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中,出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各种各样的电子控制系统被开发出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同,由多条总线构成的情况很多,线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”,“通过多个LAN,进行大量数据的高速通信”的需要,1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后,CAN通过ISO 11898及ISO 11519进行了标准化,现在已成为欧洲汽车网络的标准协议[1]。
现在,CAN的高性能和可靠性已被认同,并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。
1.2 CAN总线拓扑
CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐性电平,二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化,将消息发送给接收方。图1为CAN网络连接示意图。
其中:DDM为分布式数据管理;PDM为产品数据管理;ABS为防死锁刹车系统;SAS为统计分析系统;SRS为安全气囊;ECM为电子控制装置;CAN H为CAN总线高电位;CAN L为CAN总线低电位。
2 基于单片机PIC18F4580的系统实现
2.1 系统结构
利用单片机PIC18F4580中同时具备ECAN模块(增强型控制器局域网模块)和EUSART模块(增强型异步/同步可寻址收发模块)这一特点,在将其作为一个CAN节点控制器的同时,还可以利用其EUSART模块通过RS232接口将这个节点和PC机相连。系统结构如图2所示。
单片机PIC18F4580将内置的EUSART模块配置成异步收发模式,通过这个模块接收从PC机的COM口发出的报文并发回反馈信息。同时,由于单片机PIC18F4580内置了ECAN模块,所以它还是CAN网络中一个节点的控制器。从PC机中接收到的信息可以在单片机PIC18F4580中处理后发送到CAN总线上,然后,再将从CAN总线上接受到的信息,处理后通过EUSART模块发送回PC机。
2.2 超级终端的使用与配置
在通信过程中,通过PC机中操作系统自带的软件“超级终端”作为数据的发送界面,通过RS232接口将数据从PC机传送到MCU中。在超级终端中,可以配置数据传输速率、数据的位数、奇偶校验位及停止位。
接入时配置的参数如下:数据传输速率9600bit/s,数据位8位,奇偶校验位无,停止位1位。
2.3 系统的软件实现
单片机PIC18F4580是一款高性能的8位微控制器。内建了ECAN,EUSART,EPWM和10位精度的ADC模块,可编程的4种晶振模式,最高外部时钟可到40 MHz,也可以使用内部振荡器,最高频率可以达到8 MHz,最高精度可达1%。CPU时钟速度为振荡器速度的1/4。单片机PIC18F4580的内部程序存储器为增强型闪存,可擦写10万次,大小为32 KB。数据存储器包括了1 536 B的SRAM和256 B的EEPROM。
2.3.1 单片机PIC18F4580中ECAN模块和EUSART模块的配置
以下程序分别为两个模块的配置子程序:
//******The routine for initialising the CAN module******
void Init_TX(void)
{TRISBbits.TRISB2=0;
//Setthe PORTB,2 as the output port
TRISBbits.TRISB3=1;
//andPORTB,3 as the input port
CANCON=0x80;
//Letthe module work at the configure mode
while((CANSTAT&0xe0)!=0x80);
//Wai-te till the CAN is at the configure mode
BRGCON1=0x00;
//Thesynchronized jump width equals 1TQ
//andthe baud rate is 0
BRGCON2=0x91;
BRGCON3=0x02;
TXB0CON=0x03;
//Themodule receive the standard message only
//andselect the RXF0
TXB0SIDH=0x55;
//Setthe ID
TXB0SIDL=0x40;
TXB0DLC=0x08;
CIOCON=0x30;
}
//******The routine for initialising the USART module******
void Initial(void)
{
SPBRG=0x19;
//Baud rate set for 9 600
TXSTA=0x04;
PIR1=0;
TRISC=0x80;
TRISD=0;
PIE1bits.RCIE=1;
RCONbits.IPEN=1;
IPR1bits.RCIP=1;
RCSTA=0X80;
RCSTAbits.CREN=1;
INTCON=0x C0;
}
2.3.2 主程序
图3所示为主程序流程图。
{
Initial();
Init_TX();
PIR3bits.TXB0IF=1;
CANCON=0x00;
while((CANSTAT&0xe0));
while(1);
}
2.3.3 中断服务程序
图4所示为中断服务程序流程图。
//****the interrupt subroutine*****#pragma interrupt InterruptHigh void InterruptHigh()
{
while(PIR1bits.RCIF==1)
{TXB0CONbits.TXREQ=0;
TX_data[n]=RCREG;
TX_data[n]=TX_data[n]&0x000f
switch(n){
case 0:
TXB0D0=TX_data[n];
break;
case 1:
TXB0D1=TX_data[n];
break;
case 2:
TXB0D2=TX_data[n];
break;
case 3:
TXB0D3=TX_data[n];
break;
case 4:
TXB0D4=TX_data[n];
break;
case 5:
TXB0D5=TX_data[n];
break;
case 6:
TXB0D6=TX_data[n];
break;
case 7:
TXB0D7=TX_data[n];
break;
default:break;
}
n++;
if(n==8)
{
n=0;
TXB0CONbits.TXREQ=1;
//TXSTAbits.TXEN=1;
}
//for(i=0;i<100;i++)continue;
}
}
3 结语
随着CAN网络的应用领域越来越广泛,对CAN网络进行评估、测试和应用的方式和方法也是种类繁多。
文中介绍了一种简单、低成本的方式,通过极其普遍的RS232接口和Windows操作系统中自带的超级终端应用程序,将PC机通过一个CAN节点接入了CAN网络,并利用这个节点发送、接收报文来测试网络中各个节点及整个CAN网络。随着半导体行业的不断发展,一些带有CAN模块和USB模块的MCU和DSC(数字信号控制器)不断涌现,也可以利用比RS232接口更加高速可靠的USB接口将PC机接入CAN网络,从而实现更加高效稳定的PC机终端与CAN网络的对接。
参考文献
