一種USB通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　USB（Universal Serial Bus）是一種目前通用的串行總線技術(shù)，它是通過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，具有即插即用的功能，支持熱拔插，設(shè)備間線纜的長(zhǎng)度可達(dá)5 m左右。

　　USB接口信號(hào)線有4條線，兩條是電源線與地線（Vbus與GND），兩條是以差分方式產(chǎn)生的信號(hào)線（D+與D-），從而實(shí)現(xiàn)了主機(jī)系統(tǒng)與USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，見圖1。

圖1 USB通信數(shù)據(jù)流

　　USB總線121技術(shù)是基于分組交換方式的總線通信。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)，后面添加上CRC校驗(yàn)，形成USB封包。USB總線通信使用一種差分的輸出驅(qū)動(dòng)器來控制數(shù)據(jù)信號(hào)在USB電纜上的發(fā)送，即通過控制D+和D一線從空閑態(tài)到相反的邏輯電平，實(shí)現(xiàn)源端口的包發(fā)送。包發(fā)送結(jié)束后，D+和D-上的輸出驅(qū)動(dòng)器均處于高阻抗狀態(tài)。

　　2 USB通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　USB通信接口是連接Pc機(jī)和汽車尾氣檢測(cè)儀內(nèi)嵌單片機(jī)通信的橋梁，目前采用USB接口芯片來實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)AT89C5(＄3.7500)1之間的連接是一種比較好的方法。

　　由于汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)嵌單片機(jī)是采用串口（TXD、RXD）以RS232(＄780.5000)方式進(jìn)行通信的，所以USB芯片與單片機(jī)AT89C51(＄3.7500)之間的連接方式也必須是RS232串口通信方式。因此，本文采用PROLIFIC公司推出的可實(shí)現(xiàn)USB接口轉(zhuǎn)RS232串口的轉(zhuǎn)換芯片PL一2303HX。根據(jù)汽車尾氣檢測(cè)儀USB通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，USB通信接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 USB通信接口

　　USB插頭與USB芯片間的連接通過USB—D+、USB—D一、GND和VO一3.3這4個(gè)端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，由于USB芯片PL2303HX支持類RS232接口，含有全雙工發(fā)送和接收（RXD、TXD）串口，所以，PL2303HX芯片與單片機(jī)AT89C51的RS232串口間直接可以用3根線RXD、TXD、GND連接，即USB芯片PL2303HX的RXD、TXD和GND分別與單片機(jī)AT89C51的TXD、RXD和GND連接，雙方都可發(fā)送和接收。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.2.1 通信方式

　　本文USB通信系統(tǒng)采用異步半雙工通信方式，即通信的某一方發(fā)送和接收交替進(jìn)行。通信的數(shù)據(jù)格式為每幀10位，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，見圖3。

圖3 字節(jié)傳輸序列

這里設(shè)置單片機(jī)串行口采用T作模式l，為10位異步通信，片內(nèi)定時(shí)器Tl作為波特率發(fā)生器，波特率為2400bps；由串行口控制寄存器SCON的工作模式選擇位SM0、SMI，分別設(shè)為0和l，從而設(shè)置其串行口為模式l；當(dāng)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器Tl控制寄存器TMOD中C／T=0和M1M0=10時(shí)，AT89C51定時(shí)器／計(jì)數(shù)器Tl為定時(shí)器模式，設(shè)置為方式2。作為波特率發(fā)生器，其波特率表示為：

　　則：定時(shí)器Tl的初值應(yīng)設(shè)置為11Ll=THI=F3H，另外應(yīng)禁止定時(shí)器Tl中斷，以免因定時(shí)器T1溢出而產(chǎn)生不必要的中斷。

　　2.2.2 通信協(xié)議

　　進(jìn)行通信之前，通信雙方首先要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求制訂某種特定的通信協(xié)議，然后才能編寫相應(yīng)的通信程序。本文通信協(xié)議：

　　①通信雙方均使用2 400 bps的速率傳送數(shù)據(jù)，PC機(jī)與AT89C51均工作于串口方式l（1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、l位停止位）。

　?、贏T89C51在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用串口中斷方式。

　?、跴C機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令（握手信號(hào)），單片機(jī)AT89C5l串口收到握手信號(hào)后，立即將AT89C51內(nèi)存存放的檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過USB通信接口發(fā)送到PC機(jī)，一次數(shù)據(jù)采集完成。

　　2.2.3 通信程序流程

　　通信程序涉及到PC機(jī)通信程序和AT89C51串口通信中斷程序，上位機(jī)（PC機(jī)）發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，下位機(jī)（單片機(jī)AT89C51）收到握手信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳回PC機(jī)，從而完成一次數(shù)據(jù)采集，圖4和圖5是兩個(gè)通信程序的流程圖。

圖4 PC機(jī)通信子流程

圖5 單片機(jī)串口中斷子流程

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的USB通信系統(tǒng)已在汽車尾氣檢測(cè)儀數(shù)據(jù)通信中得到了很好的應(yīng)用。該系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，這種用USB通信技術(shù)取代傳統(tǒng)串口通信的方法切實(shí)可行，有望在其他的智能儀器、儀表設(shè)備中得到借鑒和推廣應(yīng)用。