《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于USB接口的信號模擬器設(shè)計(jì)
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摘要: 本文主要討論了基于USB接口的RS485信號模擬器的軟硬件設(shè)計(jì)。整個(gè)信號模擬器已經(jīng)完成調(diào)試,經(jīng)工程實(shí)際測試,終端應(yīng)用程序運(yùn)行可靠,信號模擬器數(shù)據(jù)發(fā)送正確無誤。這種基于USB接口芯片F(xiàn)T245R的軟硬件設(shè)計(jì),可應(yīng)用于其他基于USB接口的信號模擬器和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 接口IC USB 信號模擬器 RS485 FT245R
Abstract:
Key words :

 引 言

  USB總線是一種高效、快速、價(jià)格低、體積小、支持熱插拔的串行通信接口,目前USB這一接口形式在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的RS485信號模擬器就是采用USB接口總線,可以很方便與PC機(jī)進(jìn)行連接,并且USB接口可以為外界提供電源。 RS485是一種平衡方式傳輸?shù)拇薪涌跇?biāo)準(zhǔn),它的電氣特性標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格規(guī)定,但它的通信協(xié)議可以由用戶自行定義。本文將詳細(xì)討論USB總線信號與 RS485總線信號的相互轉(zhuǎn)換,及PC機(jī)終端應(yīng)用軟件對USB接口芯片的各種操作。在此基礎(chǔ)上用戶可以根據(jù)不同需求,在終端應(yīng)用軟件中自行設(shè)計(jì)通信協(xié)議。

  1 總體設(shè)計(jì)

  信號模擬器主要包括USB接口芯片、單片機(jī)子系統(tǒng)、RS485與TTL電平轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。它可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:a.信號模擬器通過應(yīng)用程序軟件設(shè)置串行通信參數(shù)和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),最終輸出的信號是指定串行通信參數(shù)和數(shù)據(jù)幀格式的RS485總線數(shù)據(jù),可以為采集器提供標(biāo)準(zhǔn)信號源;b.在信號模擬器內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)信號自反饋功能,即將實(shí)際發(fā)送給采集器的數(shù)據(jù)通過信號模擬器內(nèi)部回環(huán)電路回送給終端應(yīng)用程序軟件并最終顯示出來,以驗(yàn)證信號模擬器發(fā)送數(shù)據(jù)是否正確。

  USB接口芯片FT245R是將USB接口信號轉(zhuǎn)換成8位并行信號,由MCU讀取8位并行信號數(shù)據(jù),然后MCU通過全雙工的串口將讀到的數(shù)據(jù)發(fā)送給 RS485電平轉(zhuǎn)換電路1,這樣輸出的信號就是滿足指定要求的標(biāo)準(zhǔn)RS485總線信號。將RS485電平轉(zhuǎn)換電路1輸出端信號反饋給RS485電平轉(zhuǎn)換電路2的輸人端,這樣可以把RS485電平轉(zhuǎn)換成TTL電平,再通過全雙工的串口進(jìn)行接收,最終將數(shù)據(jù)回送到終端應(yīng)用程序軟件。信號模擬器的設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

  2 硬件電路設(shè)計(jì)

  2.1 USB接口芯片F(xiàn)T245R

  FT245R由FTDI(Future Technology Devices Inte-national Ltd.)公司推出,該芯片主要完成USB串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個(gè)USB通信協(xié)議全部由芯片自動(dòng)完成,開發(fā)者無須考慮底層固件的編程。該芯片利用內(nèi)部集成的時(shí)鐘電路進(jìn)行工作,無須外部提供時(shí)鐘;完全兼容USB2.O協(xié)議。它有256字節(jié)的接收緩沖區(qū)和128個(gè)發(fā)送緩沖區(qū),可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的大吞吐量操作。通過8位并行數(shù)據(jù)口D[O:7]和4位讀寫狀態(tài)/控制口RXF、TXE、RD、WR就可實(shí)現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)交換。

  下面介紹讀寫FT245R FIFO操作時(shí)序要求。

  (1)FT245R FIFO讀操作

  讀操作時(shí)序如圖2所示。當(dāng)RXF為低,表示當(dāng)前FIFO接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù),可以執(zhí)行讀操作讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。在RD電平由高變低,F(xiàn)IFO控制器將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)輸出到8位數(shù)據(jù)端口上,MCU此時(shí)只需讀取I/O口就可以將數(shù)據(jù)取到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上來,再將RD信號拉高完成1字節(jié)數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)將 FIFO接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部取出后,RXF被拉高表示數(shù)據(jù)為空。在RXF為高時(shí),禁止從FIFO接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

  (2)FT245R FIFO寫操作

  寫操作時(shí)序如圖3所示。當(dāng)TXE為低,表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)空,可以向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。在WR為高電平時(shí),MCU將8位數(shù)據(jù)D[0:7]送到并行I/O口上,在WR信號電平由高變低時(shí)數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送緩沖區(qū)中。當(dāng)TXE為高時(shí),表示當(dāng)前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)已滿或者正在寫入上一個(gè)字節(jié),此時(shí)禁止向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入任何數(shù)據(jù)。MCU向FT245R寫入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)確保TXE為低。


  2.2 單片機(jī)子系統(tǒng)

  單片機(jī)子系統(tǒng)包括單片機(jī)和上電復(fù)位芯片。本設(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)是AT89S52。 AT89S52作為系統(tǒng)的中央處理器擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)和PC主機(jī)的通信、系統(tǒng)內(nèi)各部件正常工作等重要任務(wù)。AT89S52這款單片機(jī)內(nèi)部有看門狗電路,可防止程序陷入“陷阱”或跑飛。為了使單片機(jī)上電復(fù)位可靠,這里采用專門的復(fù)位芯片MAX708。

  2.3 RS485接口電路設(shè)計(jì)

  信號經(jīng)過單片機(jī)的UART接口,再經(jīng)過MAX485轉(zhuǎn)換即構(gòu)成了RS485通信接口。

  2.4 硬件電路圖

  USB接口可以向外提供電源。USB接口規(guī)范規(guī)定:可提供電源電壓為4.75~5.25 V,低輸出功率USB端口最大的輸出電流為100mA。信號模擬器所需的供電電壓和電流滿足USB接口電源指標(biāo),因此采用USB接口為信號模擬器提供電源?! ?/p>

  3 軟件設(shè)計(jì)

  軟件的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)和PC機(jī)終端應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

  3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

  單片機(jī)程序采用C語言編程,程序結(jié)構(gòu)清晰,可讀性和可維護(hù)性高。

  3.1.1 單片機(jī)讀寫FT245R FIFO緩沖區(qū)程序

  單片機(jī)通過P0口來讀寫FT245R FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。P0口作為數(shù)據(jù)總線,讀數(shù)據(jù)前,須向P0口全寫1,這樣才能正確讀取數(shù)據(jù)。FT245R FIFO緩沖區(qū)讀寫時(shí)序要求如前文所述。MCU讀寫FT245R緩沖區(qū)程序如下:

  3.1.2 單片機(jī)流程控制

  MCU負(fù)責(zé)USB接口芯片F(xiàn)T245R的數(shù)據(jù)發(fā)送接收控制,單片機(jī)串口配置及串口接收發(fā)送任務(wù)。

  整個(gè)程序的流程分為以下幾個(gè)步驟:

 ?、賳纹瑱C(jī)和FT245R的初始化,啟動(dòng)看門狗程序。

 ?、趯T245R接收緩沖區(qū)有無數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,若無數(shù)據(jù),喂狗;若有數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)向步驟③。

  ③對幀信息類型進(jìn)行判斷,若為命令配置幀,則讀取FT245R接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù),然后對串口進(jìn)行配置;若為數(shù)據(jù)幀,轉(zhuǎn)向步驟④。

 ?、艽跀?shù)據(jù)發(fā)送接收采用查詢方式,MCU讀取FT245R接收緩沖區(qū)的1字節(jié),然后通過串口進(jìn)行發(fā)送。

 ?、菖袛啻诎l(fā)送和接收是否完畢,若完成,將接收到的數(shù)據(jù)寫入到FT245R發(fā)送緩沖區(qū)中;若未完成,喂狗,斷續(xù)執(zhí)行⑤。

  ⑥重復(fù)執(zhí)行②~⑤,直到讀出接收緩沖區(qū)里的所有數(shù)據(jù)。

  3.2 PC機(jī)終端應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)

  PC機(jī)終端應(yīng)用軟件程序的主要目的是實(shí)現(xiàn)對USB接口芯片F(xiàn)T245R的接口控制和讀寫操作,提供友好的人機(jī)界面來設(shè)置串行通信參數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式、幀發(fā)送方式等。計(jì)算機(jī)端有關(guān)USB通信的開發(fā)不需要了解USB底層驅(qū)動(dòng),F(xiàn)TDI公司已經(jīng)以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式封裝好了面向功能應(yīng)用的API函數(shù),開發(fā)者可以在多種高級語言中調(diào)用,功能強(qiáng)大且靈活方便。

  FTDI公司為FT245R芯片提供了2種驅(qū)動(dòng)程序:VCP驅(qū)動(dòng)和D2XX驅(qū)動(dòng)。使用VCP驅(qū)動(dòng)程序,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)300 kb/s;使用D2XX驅(qū)動(dòng)程序,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb/s。下面分別介紹基于以上2種驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用軟件程序設(shè)計(jì)。

  3.2.1 基于VCP驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

  在PC機(jī)上安裝一個(gè)由FTDI公司提供的虛擬串行口VCP(Virtual COM Port)驅(qū)動(dòng)程序,它是將USB接口芯片虛擬成操作系統(tǒng)的一個(gè)串口通信口,對這一虛擬的串行口的操作等同于對該USB接口設(shè)備的操作。應(yīng)用程序通過調(diào)用 Win32 COMM控件的API函數(shù)來完成對芯片的讀/寫操作。

  VCP驅(qū)動(dòng)由2部分組成:FTDIBUS和FTSER2K。FTDIBUS完成2個(gè)功能:控制虛擬串口的生成,以及與USB接口芯片進(jìn)行通信。FTSER2K完成對串口的各種操作。

  應(yīng)用軟件程序設(shè)計(jì)可以采用成熟的串行通信控件MSComm來完成對虛擬串口的各種操作。MSComm控件很好地封裝了Windows API的串口通信函數(shù),屏蔽了繁瑣的通信細(xì)節(jié),只需使用控件提供的接口即可。

  3.2.2 基于D2XX驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

  為了獲得更快的數(shù)據(jù)傳輸速率,本文選擇D2XX驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行應(yīng)用軟件程序開發(fā)。D2XX驅(qū)動(dòng)包括FTD2XX.DLL、FT2XX.SYS、USB Stack三部分。應(yīng)用軟件程序通過動(dòng)態(tài)鏈接庫文件FTD2XX.DLL可訪問驅(qū)動(dòng)程序FTD2XX.SYS的編程接口,進(jìn)而可以對FT245R芯片進(jìn)行各種操作。

  FTD2XX.DLL提供了豐富的接口函數(shù)來對FT245R進(jìn)行各種操作,主要函數(shù)如下:

  FT_Open 用于打開USB接口設(shè)備

  FT_Read 從USB接口芯片中讀取數(shù)據(jù)

  FT_Write 向USB接口芯片里寫入數(shù)據(jù)

  FT_Close 關(guān)閉USB接口設(shè)備

  FT_SetTimeouts 設(shè)置讀寫FT245R緩沖區(qū)的超時(shí)時(shí)間設(shè)計(jì)中使用MFC作為計(jì)算機(jī)終端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺。程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:

  ①新建一個(gè)工程文件,加載FTD2XX.H文件到工程中,在每一個(gè)CPP文件中都要加入頭文件FTD2XX.H。在FTD2XX.H文件中可以查看動(dòng)態(tài)鏈接庫(FTD2XX.DLL)提供的接口函數(shù)。在新建的類中,用到哪個(gè)接口函數(shù),需在該類的頭文件中對接口函數(shù)進(jìn)行聲明。FTDI公司提供D2XX驅(qū)動(dòng)的安裝程序,進(jìn)行安裝后即可在Win-dow32下生成FTD2XX.DLL文件。

 ?、趹?yīng)用程序須首先加載動(dòng)態(tài)鏈接庫文件Ftd2xx.dll,之后才能調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的接口函數(shù),對USB接口芯片進(jìn)行各種操作。加載庫命令即LoadLibrary("Ftd2xx.dll")。

 ?、墼诖蜷_USB接口設(shè)備之前,須先關(guān)閉USB接口設(shè)備。即先執(zhí)行FT_Close函數(shù),然后執(zhí)行FT_Open函數(shù)。USB接口設(shè)備打開后,就可以對芯片緩沖區(qū)進(jìn)行讀/寫操作。在完成終端應(yīng)用軟件對FR245R芯片的各種操作后,用戶可根據(jù)不同需求,自行設(shè)計(jì)通信協(xié)議,包括串行通信參數(shù)、數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)幀發(fā)送方式等。終端應(yīng)用軟件界面如圖4所示。

  結(jié) 語

  本文主要討論了基于USB接口的RS485信號模擬器的軟硬件設(shè)計(jì)。整個(gè)信號模擬器已經(jīng)完成調(diào)試,經(jīng)工程實(shí)際測試,終端應(yīng)用程序運(yùn)行可靠,信號模擬器數(shù)據(jù)發(fā)送正確無誤。這種基于USB接口芯片F(xiàn)T245R的軟硬件設(shè)計(jì),可應(yīng)用于其他基于USB接口的信號模擬器和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。
 

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