嵌入式系统的USB虚拟串口设计

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嵌入式系统的USB虚拟串口设计

引 言：
　　现代嵌入式系统中，异步串行通信接口往往作为标准外设出现在单片机和嵌入式系统中。但是随着个人计算机通用外围设备越来越少地使用串口，串口正在逐渐从个人计算机特别是便携式电脑上消失。于是嵌入式开发人员常常发现自己新买来的计算机上没有串口，或者出现调试现场用户的计算机没有串口的尴尬局面。相反，现在的个人计算机普遍拥有4个以上的USB接口，能不能使用USB接口代替串口，完成PC机和嵌入式系统的通信呢？
1 USB虚拟串口代替物理串口的可行性
　　首先，越来越多带USB接口的器件涌现出来，如带USB接口的单片机，或独立的USB接口器件，而且这些器件的成本已经很接近于使用RS232电平转换芯片所带来的成本。
　　其次，市场上也出现了一些USB接口转串口的芯片，这些芯片一头为串口，另一头为USB接口，在其内部完成串口到USB协议的转换。该芯片通过USB口连接到个人计算机后，在操作系统中表现为一个串口设备，这意味着USB接口对于传统的串口调试工具（HyperTerninal）和用户基于串口的应用程序是透明的，开发人员完全不用更改PC端的调试和应用程序。
　　但是这些器件的USB类不属于标准的USB设备类，因此需要在Windows和Linux操作系统上安装额外的设备驱动。另外，由于不是操作系统自带的设备驱动，而且通信经过了由串口到串口，USB从设备到USB主机的多次转换，当调试遇到问题时常常无法确定是串口出了问题还是USB出了问题。因此，应该使嵌入式系统直接和PC通过USB总线接口连接（通过片上的USB接口或片外USB接口芯片），由单片机直接完成USB虚拟串口的协议转换。
　　在USB标准子类中，有一类称之为CDC类，可以实现虚拟串口通信的协议，而且由于大部分的操作系统（Windows和Linux）都带有支持CDC类的设备驱动程序，可以自动识别CDC类的设备，这样不仅免去了写专用设备驱动的负担，同时简化了设备驱动的安装。
2 什么是CDC类
　　USB的CDC类是USB通信设备类（Communication Device Class）的简称。CDC类是USB组织定义的一类专门给各种通信设备（电信通信设备和中速网络通信设备）使用的USB子类。根据CDC类所针对通信设备的不同，CDC类又被分成以下不同的模型：USB传统纯电话业务（POTS）模型，USB ISDN模型和USB网络模型。其中，USB传统纯电话业务模型，有可分为直接线控制模型（Direct Line Control Model）、抽象控制模型（Abstract Control Model）和USB电话模型（USB Telephone Model），如图1所示。本文所讨论的虚拟串口就属于USB传统纯电话业务模型下的抽象控制模型。

     通常一个CDC类又由两个接口子类组成通信接口类（Communication Interface Class）和数据接口类(Data Interface Class)。笔者主要通过通信接口类对设备进行管理和控制，而通过数据接口类传送数据。这两个接口子类占有不同数量和类型的终端点（Endpoints），如图2所示。对于前面所述的不同CDC类模型，其所对应的接口的终端点需求也是不同的。如所需要讨论的抽象控制模型对终端点的需求，通信接口类需要一个控制终端点（Control Endpoint）和一个可选的中断（Interrupt）型终端点，数据接口子类需要一个方向为输入（IN）的周期性（Isochronous）型终端点和一个方向为输出（OUT）的周期性型终端点。其中控制终端点主要用于USB设备的枚举和虚拟串口的波特率和数据类型（数据位数、停止位和起始位）设置的通信。输出方向的非同步终端点用于主机（Host）向从设备（Slave）发送数据，相当于传统物理串口中的TXD线（如果从单片机的角度看），输入方向的非同步终端点用于从设备向主机发送数据，相当于传统物理串口中的RXD线。

3 AT89C5131的简单介绍
　　基于单片机的嵌入式系统要实现USB总线通信，通常都是通过外扩专用的USB总线接口芯片（如飞利浦的D12）。但是这样的方案既增加了成本，又使PCB板的面积变大，所以使用Atmel公司的集成了USB2.0全速（Full Speed）从接口外设的51单片机AT89C5131。
　　AT89C5131是一个基于52内核的单片机。在存储器方面，其内部集成了32KB的Flash存储器用于代码的存储，1KB的EEPROM存储器用于用户数据的存储，用户可以使用片上的Bootloader或Flash API通过USB接口或者其他接口（如UART和I2C总线）对Flash存储器和EEPROM存储器进行ISP或者IAP编程。 此外AT89C5131还集成了10位的ADC、I2C总线接口和PCA模块等丰富的外设。
　　AT89C5131的USB2.0全速从接口的结构如图3所示，其包括USB D+/D-的接口缓冲，数字锁相环，串行接口引擎（SIE）和通用功能接口（UFI）。其中数字锁相环以单片机的时钟为输入，产生了USB接口其他部分所需的48MHz时钟。串行接口引擎完成USB通信物理层NRZI码的编码与解码，CRC生成以及校验与纠错。通用功能接口包含了一个双端口的数据存储器，其一端与串行接口引擎链接，另一端通过数据总线与单片机相连接，使单片机可以通过特殊功能寄存器完成对USB2.0从接口的控制与通信。

    AT89C5131的USB2.0全速从接口包含了7个终端点，其中0号终端点被配置成为默认的控制终端点。其他1～6号终端点都可以通过特殊寄存器配置为控制（Control），突发（Bulk），中断（Interrupt）和周期性（Isochronous）模式。由于每一个终端点都由一组独立的寄存器对该终端点进行控制、状态识别和数据的存取，则如果将这些寄存器直接映射到51单片机的特殊功能寄存器地址空间显然是容纳不下的。因此，这7个终端点的7组寄存器在单片机的地址空间中其实使用的是同一组寄存器的地址，而通过一个特殊功能寄存器（UEPNUM）来选择当前该组寄存器实际选择的是哪个终端点的寄存器组，这样就大大节省了所占用的地址空间，为集成其他特殊外设提供了可能。
4 基于AT89C5131的CDC类的实现
　　AT89C5131与USB接口的硬件连接很简单，选用一个Btype的USB插座，因为按照USB规范，从设备使用Btype的USB插座，主设备使用Atype的USB插座，将Btype的USB插座的D+和D-脚分别与AT89C5131上的D+和D-脚相连。然后再在电源和D+之间用一个1.5 kΩ的上拉电阻连接，因为按照USB规范，USB主设备是通过从设备在插入时D+和D-上的绝对电平来确定从设备是一个全速设备还是一个低速设备的，而AT89C5131是一个全速设备，所以需要将D+上拉。
　　下面介绍虚拟串口的单片机软件设计与实现。首先来看一下终端点的分配，按照CDC类抽象控制模型对终端点的需求，将单片机0号终端点和1号终端点分配给通信接口子类，分别作为控制终端点（完成枚举和串口参数设置）和中断终端点，而将2号和3号终端点分配给数据接口子类，分别作为IN和OUT终端点，虚拟串口的数据主要从这两终端点来进行传送。
　　由于各个终端点的行为相对独立，对于每个终端点的控制过程又有相似性，在这里以2号终端点即作为数据接口的IN终端点为例，说明软件是如何对终端点进行操作和控制的，其控制流程图如图4所示。2号终端点是一个IN的终端点，它的主要工作是模拟物理串口的TXD线，向主设备发送数据。当主设备发出IN的请求时，如果FIFO不空，就向主设备发送FIFO的内容；如果FIFO为空，则向主设备发送一个空包作为回应。AT89C5131在收到IN的请求时，会触发USB中断（如果被使能），在中断处理程序中，如图4所示，首先判断中断的触发源是哪个终端点，如果是2号终端点，将USB寄存器组映射到2号终端点的那一组，然后将需要发送的串口数据填入FIFO寄存器（UEPDATX），置位UEPSTAX的TXRDY位，表示FIFO中的数据已经准备好，这时USB接口就会自动响应IN请求，并将FIFO中的数据发送出去，程序则可退出中断服务程序。对于其他的终端点，其处理过程也是相似的。

    软件使用Keil C51为编译系统，为了便于和系统的其他程序集成，采用标准字符型设备的API接口usb_getc()和usb_putc()，使程序具有很好的移植性。应用程序层函数（usb_getc()和usb_putc()）与USB中断处理程序通过两个先进先出FIFO循环队列(TX和RX)来交换数据，这样有效的起到收发缓冲的作用，防止缓冲溢出。
5 总结
　　在单片机上实现基于CDC类的USB虚拟串口很好的适应了当前计算机外设接口的发展，同时因为这样的接口在PC操作系统中仍然映射为一个串口，所以又避免了大量的PC端调试程序和应用程序的重新编写。

李小路

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