PL2303單片機(jī)串口轉(zhuǎn)USB口實(shí)現(xiàn)串行通信＊

胡家華，徐鵬，鄭昌雨，周揚(yáng)，梁春陽(yáng)，寧宇

（哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150040）

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲入到了生產(chǎn)、生活的方方面面，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，應(yīng)用前景越來(lái)越好。基于單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用在目前創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展中一支獨(dú)秀，非常受廣大科技愛好者、在校大學(xué)生以及科技開發(fā)工作者的青睞。多功能、超強(qiáng)型的單片機(jī)在市場(chǎng)上也層出不窮，為單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)。目前，在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，USB接口的使用越來(lái)越多，簡(jiǎn)化了單片機(jī)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的接口電路，提高了信息交換的可靠性及交換速度。目前市場(chǎng)上提供的各類型單片機(jī)品種中，有些型號(hào)的單片機(jī)在其內(nèi)部集成有USB接口部件，但大部分的單片機(jī)不含有USB接口電路。對(duì)芯片內(nèi)部不含有USB串行接口的單片機(jī)，進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)時(shí)，要通過(guò)外圍接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)USB串行接口，這樣的接口芯片，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多種了。本文僅就采用單片機(jī)本身的串口通過(guò)外圍芯片PL2303來(lái)實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB接口進(jìn)行介紹。

1 USB接口的實(shí)現(xiàn)

USB（Universal Serial Bus）是一種通用的串行總線技術(shù)，它是通過(guò)PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，具有即插即用功能，支持熱插拔，兩個(gè)通信設(shè)備之間線纜長(zhǎng)度可達(dá)5m。

USB接口線有4條，其中兩條為電源線和地線（Vbus與GND），另外兩條是以差分形式傳遞信息的信號(hào)線（D＋和D－），從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。含有USB接口的主機(jī)與含有USB接口的設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)流的示意圖如圖1所示。

圖1 USB通信數(shù)據(jù)流

USB總線技術(shù)是基于分組交換方式的總線通信。它首先把數(shù)據(jù)分成若干塊，然后在每塊數(shù)據(jù)前添加上同步信號(hào)、包標(biāo)識(shí)，后面再添加上CRC校驗(yàn)碼，形成USB數(shù)據(jù)包。USB通信總線使用差分輸出驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制數(shù)據(jù)信號(hào)在USB電纜上的傳送，即通過(guò)控制D＋和D－線從空閑狀態(tài)到相反的邏輯電平，實(shí)現(xiàn)原端口的數(shù)據(jù)包發(fā)送，數(shù)據(jù)包發(fā)送完以后，信號(hào)線（D＋）和（D－）上的輸出驅(qū)動(dòng)器均處于高阻狀態(tài)。

2 單片機(jī)串口轉(zhuǎn)USB接口的電路

無(wú)論哪一款的單片機(jī)，其芯片上都有串行通信引腳TXD和RXD，利用這兩個(gè)引腳，通過(guò)某種接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB口的電路。本文采用Prolific公司推出的串口轉(zhuǎn)USB接口的轉(zhuǎn)換芯片PL2303來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的串口轉(zhuǎn)USB接口的電路。接口電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 串口轉(zhuǎn)USB口的接口電路

在圖2中，PL2303的TXD引腳和RXD引腳分別與單片機(jī)的P3.0（RXD）引腳和P3.1（TXD）引腳相連，這樣就完成了單片機(jī)的串口與USB口的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)從串口發(fā)送出去的數(shù)據(jù)信息通過(guò)PL2303芯片轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流，再通過(guò)USB口的連接器傳送給主機(jī)設(shè)備。可以看出PL2303與單片機(jī)的連接非常簡(jiǎn)單，只需兩根信號(hào)線就可以。

3 單片機(jī)串口軟件設(shè)計(jì)

串口轉(zhuǎn)USB口串行通信方式采用異步半雙工通信方式，即通信雙方發(fā)送和接收信息是分時(shí)段交替進(jìn)行的，雙方不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)操作。通信的數(shù)據(jù)格式為每幀10位，其中1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。一幀數(shù)據(jù)的格式如圖3所示。數(shù)據(jù)的發(fā)送是低位在先，高位在后。

圖3 發(fā)送一個(gè)字節(jié)的幀格式

在串行通信中，收發(fā)雙方對(duì)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的速率要有約定，即設(shè)定波特率。通過(guò)軟件可以對(duì)單片機(jī)串口設(shè)置為4種工作方式，即方式0、方式1、方式2、方式3。其中方式0和方式2的波特率是固定不變的，方式1和方式3的波特率是可以調(diào)整的。波特率由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T1的溢出率來(lái)決定，用定時(shí)器T1作為串行通信波特率發(fā)生器時(shí)，典型的使用方法是使T1工作在自動(dòng)重裝的8位定時(shí)方式，即定時(shí)器的工作方式2，這時(shí)定時(shí)器T1的溢出率取決于TH1中的初值。而單片機(jī)的串行通信方式采用方式1，即數(shù)據(jù)發(fā)送是10位幀格式。串行通信方式1的波特率的計(jì)算如下：

上式中，SMOD是單片機(jī)芯片內(nèi)部的電源控制寄存器PCON中的D7位，可取值為0或1；fOSC是表示單片機(jī)外接的晶體振蕩器的頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳送的波特率最好選擇標(biāo)稱值，又由于TH1的初值是整數(shù)，為了減小波特率計(jì)算誤差，單片機(jī)外接的晶振頻率盡量選用11.059 2MHz，這樣串行通信方式1的波特率與TH1的初值的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本上是一個(gè)確定值，如表1所列。

表1 串行通信方式1與TH1初值關(guān)系表

根據(jù)表1，如果串行通信的波特率選用9 600，則裝入單片機(jī)定時(shí)器1的TH1中的初值就是FDH，通過(guò)下面的程序完成初始化：

以上是初始化程序，發(fā)送一個(gè)字節(jié)的程序如下：

接收一個(gè)字節(jié)的程序如下：

4 PL2303的驅(qū)動(dòng)

PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232－USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART，只需外接幾個(gè)電容就可實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)與RS232信號(hào)的轉(zhuǎn)換，能夠方便地嵌入到手持設(shè)備中。該器件作為USB／RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)完成，開發(fā)者無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)。

PL2303的驅(qū)動(dòng)可在大多數(shù)操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)的COM端口，并允許基于COM端口應(yīng)用方便地轉(zhuǎn)換為USB接口應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)通信，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈士筛哌_(dá)6Mbps。通過(guò)利用USB塊傳輸模式，利用龐大的數(shù)據(jù)緩沖器和自動(dòng)流量控制，PL2303能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，比傳統(tǒng)的UART（通用異步收發(fā)器）端口要快。

前面介紹了單片機(jī)與PL2303的接口電路，通過(guò)PL2303的橋接，將單片機(jī)的串口轉(zhuǎn)成了USB口。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)與PC主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)USB通信線連接起來(lái)后，PC機(jī)將這個(gè)USB接口看成是一個(gè)COM口（RS232全雙工異步串行通信接口），此時(shí)，PC機(jī)要裝入PL2303的驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序就是將該USB口模擬成為一個(gè)COM口，USB轉(zhuǎn)串口線的端口號(hào)可能是COM4，也可能是COM5，此端口號(hào)是電腦系統(tǒng)自動(dòng)分派的，不是每臺(tái)電腦都一樣。在沒有必要的情況下，請(qǐng)不要去修改它，使用時(shí)只需記住這個(gè)端口號(hào)就可以了。在使用此端口的軟件中，都務(wù)必按此端口來(lái)選擇，如STC－ISP下載軟件、串口調(diào)試軟件等。PL2303的驅(qū)動(dòng)程序可以從官方網(wǎng)站下載。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的單片機(jī)串口轉(zhuǎn)USB口的接口電路 已經(jīng)通過(guò)實(shí)際的電路板實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的應(yīng)用中效果很好，通信的可靠性很高，特別適合筆記本電腦與單片機(jī)系統(tǒng)之間的通信。有些筆記本電腦的操作系統(tǒng)是Win7操作系統(tǒng)，此時(shí)要注意在官方網(wǎng)站上下載Win7操作系統(tǒng)的PL2303驅(qū)動(dòng).PART.RAR。在使用中感覺到的不足之處是PL2303芯片在做電路時(shí)，外接的電阻、電容等器件比較多，畫電路板比較麻煩。

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