USB虚拟串口通信实现

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以一种高度集成的USB总线转接芯片CH341为核心，设计并实现了基于USB接口的PC机与下位机的虚拟串口通信。上位机在Windows环境下利用MSComm控件实现与下位机通信，介绍了USB转虚拟串口的实现方法，并基于该虚拟串口编写了智能家居控制应用软件。实验测试表明，采用虚拟串口实现上位机与单片机通信，具有结构简单、速度快和易于软件开发等特点，能满足于各种串口通信场合。
       
        在嵌入式系统中，异步串行通信接口多作为标准外围设备出现。随着大量支持USB的个人电脑的普及，易于使用的接口。USB接口逐步成为PC机的标准接口，使得对USB接口相关应用软件的开发和外围设备的研究显得越来越重要。
       
        本文中的智能家居控制系统采用基于USB的虚拟串口同中心汇聚节点通信，中心汇聚节点采用意法半导体公司STM8S103系列微处理器，实现数据的接收与发送。上位机系统控制软件在Windows环境下通过VC++6.0编程开发，基于USB的虚拟串口具有传输数据稳定、安装简便、即插即用等特点。
       
        1控制系统总体设计
       
        系统总体结构如图1所示，主要由3部分组成，基于PC机的上位机系统控制软件、中心汇聚节点和各家电子设备节点。中心汇聚节点和各家电子设备节点均搭载433无线通信模块。各家电子设备节点可以根据自身设备的状态信息，整合成一定格式的数据帧，经433无线模块将数据信息传送给中心汇聚节点，而后通过基于USB的虚拟串口将数据转发给上位机系统控制软件，上位机软件实时显示家电子设备的状态信息。同样，当用户需要控制和管理家电设备时，控制指令经虚拟串口和433无线模块将指令下发至相应家电设备，根据指令执行相应操作。
       
       
        图1 控制系统结构示意图
       
        2虚拟串口硬件电路设计
       
        2.1芯片简介
       
        CH341是一种高度集成的USB总线转接芯片，通过USB总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的2线和4线等同步串行接口。在异步串口方式下，CH341提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。具备USB全速接口，兼容USB V2.0，外围器件简单，只需晶振和电容。完全兼容计算机端Windows操作系统下的串口应用程序。硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯速率50bit.s-1～2Mbit.s-1和5、6、7或者8位数据位、奇校验、偶校验、空白、标志以及无校验、串口发送使能、串口接收就绪等传输速率控制信号和MODEM联络信号。
       
        2.2串口硬件电路设计
       
        USB转虚拟串口部分电路主要由CH341和STM8S103构成，其电路原理如图2所示，设备采用USB总线供电方式，时钟电路由12 MHz晶振搭配2个20 pF电容构成，将CH341芯片的SDA和SCL引脚悬空，从而使其工作于异步串行口模式，采用常用的三线式串口通信方式，将CH341芯片的RXD、TXD、GND引脚分别于单片机STM8S103的TXD、RXD和GND引脚相连。在USB接口的电源端连接一个磁珠，以减少PC机与设备的干扰，同时在电源端增加去耦和旁路电容，以提高设备的抗干扰能力。
       
       
        图2 虚拟串口部分电路图
       
        3上位机系统软件设计
       
        3.1 USB转虚拟串口驱动安装
       
        当完成硬件连接后，为实现正常的串口通信，还需为PC机安装相应的驱动程序。从互联网上可下载相应芯片的驱动程序，因本设计选用USB总线转接芯片为CH341，故下载并安装对应的CH341 SER驱动程序，该驱动程序支持Windows 98//XP/Win7 32位/64位等操作系统。该虚拟串口实现仿真标准串口，完全兼容计算机端Windows操作系统环境下的串口应用程序，用户可以像访问标准串口设备一样对该虚拟串口进行通信，但实质其数据通信则是通过USB总线完成。待安装完驱动程序后，便可以对该设备进行基于串口的上位机应用程序开发。
       
        3.2系统控制软件设计
       
        上位机控制软件在VC++6.0环境下开发，采用VC++6.0提供的MSComm控件进行应用程序设计。MSCOM控件提供了完善的数据接收与发送功能，支持事件驱动和查询两种通信模式。事件驱动方式下，当有串口发生事件或错误时便响应OnComm事件处理程序；查询模式下，则通过定期查询MSComm控件的ComEvent属性变化来进行数据处理。考虑到控制系统的实时响应能力，上位机应用软件采用事件驱动方式，即当串口有数据接收时便响应OnComm事件，然后在OnComm事件处理函数中加入相应的通信处理代码。系统控制软件操作界面如图3所示。
       
       
        图3 系统控制软件界面
       
        3.2.1通信参数设置
       
        为保证控制系统能成功进行串口通信，系统控制软件与汇聚节点设备应设置相同的波特率、数据位等通信参数，此外因为PC机为USB总线转接芯片CH341分配的虚拟串口是不确定的，为此设计了通信参数设置对话框来对虚拟串口的通信参数进行设置，界面如图4所示。
       
       
        图4 通信参数设置界面
       
        3.2.2通信数据处理
       
        上位机系统控制软件主要负责用户控制指令的发送与接收，同时及时更新显示当前家用电子设备的状态信息。应用软件主要包含系统初始化程序、串口接收与发送程序和数据处理与显示程序3部分。初始化程序主要负责系统的串口通信参数配置；串口接收与发送程序则负责将数据组合成数据帧，并发送或接收汇聚节点数据帧；数据处理与显示程序则根据不同的数据帧进行相应处理，并及时更新对应家电子设备的控制界面，程序流程如图5所示。
       
       
        图5 上位机控制系统程序图
        4实验验证
       
        为进一步验证USB转虚拟串口通信在具体系统应用中的可靠性和稳定性，按照图1搭建测试系统，在PC机上安装好对应的USB转虚拟串口驱动程序，打开上位机系统控制软件，选择对应的串口，设置与中心汇聚节点相匹配的串口通信参数，在应用软件中选择加湿器操作界面，改变界面状态以发送控制指令，查看对应的加湿器是否执行相应的操作；通过手动改变加湿器的状态，查看上位机系统控制软件中加湿器界面状态是否及时更新，测试结果如图6所示，实验测试表明系统响应速度快、稳定性强，USB转虚拟串口通信能够满足实际控制系统的通信需求。
       
       
        图6 加湿器测试界面图
       
        5结束语
       
        本文设计了基于USB虚拟串口通信技术的串口通信模块，介绍了其设计方法与原理，开发了基于虚拟串口通信的上位机系统控制软件，并将其应用于智能家居控制系统。采用USB虚拟串口解决了传统串口逐渐消失、扩展性差、安装繁琐等问题，实验测试表明基于USB的虚拟串口具有传输速率稳定、即插即用等特点。