引 言

USB總線是一種高效、快速、價格低、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)品的設計中得到了廣泛應用。本文所設計的 RS485信號模擬器就是采用USB接口總線，可以很方便與PC機進行連接，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薪涌跇藴剩碾姎馓匦詷藴手杏袊栏褚?guī)定，但它的通信協(xié)議可以由用戶自行定義。本文將詳細討論USB總線信號與 RS485總線信號的相互轉換，及PC機終端應用軟件對USB接口芯片的各種操作。在此基礎上用戶可以根據(jù)不同需求，在終端應用軟件中自行設計通信協(xié)議。

1 總體設計

信號模擬器主要包括USB接口芯片、單片機子系統(tǒng)、RS485與TTL電平轉換子系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)兩個功能：a.信號模擬器通過應用程序軟件設置串行通信參數(shù)和數(shù)據(jù)幀結構，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準信號源;b.在信號模擬器內部可以實現(xiàn)信號自反饋功能，即將實際發(fā)送給采集器的數(shù)據(jù)通過信號模擬器內部回環(huán)電路回送給終端應用程序軟件并最終顯示出來，以驗證信號模擬器發(fā)送數(shù)據(jù)是否正確。

USB接口芯片F(xiàn)T245R是將USB接口信號轉換成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電平轉換電路1，這樣輸出的信號就是滿足指定要求的標準RS485總線信號。將RS485電平轉換電路1輸出端信號反饋給RS485電平轉換電路2的輸人端，這樣可以把RS485電平轉換成TTL電平，再通過全雙工的串口進行接收，最終將數(shù)據(jù)回送到終端應用程序軟件。信號模擬器的設計總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

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)議轉換。整個USB通信協(xié)議全部由芯片自動完成，開發(fā)者無須考慮底層固件的編程。該芯片利用內部集成的時鐘電路進行工作，無須外部提供時鐘;完全兼容USB2.O協(xié)議。它有256字節(jié)的接收緩沖區(qū)和128個發(fā)送緩沖區(qū)，可以進行數(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操作時序要求。

(1)FT245R FIFO讀操作

讀操作時序如圖2所示。當RXF為低，表示當前FIFO接收緩沖區(qū)內有數(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此時只需讀取I/O口就可以將數(shù)據(jù)取到內部數(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，禁止從FIFO接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。

(2)FT245R FIFO寫操作

寫操作時序如圖3所示。當TXE為低，表示當前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，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數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送緩沖區(qū)中。當TXE為高時，表示當前FIFO發(fā)送緩沖區(qū)已滿或者正在寫入上一個字節(jié)，此時禁止向發(fā)送緩沖區(qū)中寫入任何數(shù)據(jù)。MCU向FT245R寫入數(shù)據(jù)時應確保TXE為低。

2.2 單片機子系統(tǒng)

單片機子系統(tǒng)包括單片機和上電復位芯片。本設計中采用的單片機是AT89S52。 AT89S52作為系統(tǒng)的中央處理器擔負著系統(tǒng)和PC主機的通信、系統(tǒng)內各部件正常工作等重要任務。AT89S52這款單片機內部有看門狗電路，可防止程序陷入“陷阱”或跑飛。為了使單片機上電復位可靠，這里采用專門的復位芯片MAX708。

2.3 RS485接口電路設計

信號經(jīng)過單片機的UART接口，再經(jīng)過MAX485轉換即構成了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，因此采用USB接口為信號模擬器提供電源。

編者注：信號模擬器的電路原理圖見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

3 軟件設計

軟件的設計主要包括單片機程序的設計和PC機終端應用程序的設計。

3.1 單片機程序設計

單片機程序采用C語言編程，程序結構清晰，可讀性和可維護性高。

3.1.1 單片機讀寫FT245R FIFO緩沖區(qū)程序

單片機通過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 單片機流程控制

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

整個程序的流程分為以下幾個步驟：

①單片機和FT245R的初始化，啟動看門狗程序。

②對FT245R接收緩沖區(qū)有無數(shù)據(jù)進行判斷，若無數(shù)據(jù)，喂狗;若有數(shù)據(jù)，轉向步驟③。

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

④串口數(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)，然后通過串口進行發(fā)送。

⑤判斷串口發(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。