USB-RS232技術在傳統實驗設備改造中的應用

黃峰亮,朱簫笛

摘要:傳統的教學實驗設備是通過RS232串口、并口等來連接計算機完成仿真、調試、測量等功能。USB的應用使實驗設備實現了即插即用、高速傳輸并且可以使實驗設備與計算機的連接更為方便可靠。

關鍵詞:USB-RS232;實驗設備改造;PL-2303

一、 引言

在以前串行通信(RS-232C標準)由于其接口電路簡單、成本低廉而被廣泛應用于教學實驗設備,特別是在單片機仿真、傳感器測量、信號采集等設備的通信與傳輸中。隨著仿真、測量的技術發展數據傳輸量不斷提高,RS232的不可靠性和不便捷性、速度慢等問題越來越突出。特別是USB的廣泛應用,PC與外部設備的連接與數據傳輸越來越多采用了USB接口,有些PC機已經不再提供RS232接口。而且RS232串行通信,也存在著很多缺點,如:通信電壓高(±15V)、通信速度慢、不支持即插即用等。由于串行通信電壓高并且不支持熱拔插,傳統的RS232接口實驗設備在教學過程中使用頻繁、學生操作不當等原因,造成接口松動、接觸不良等,很容易導致實驗設備和PC機主板上RS-232C接口的損壞,不但浪費精力、財力,而且影響教學效果。通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是眾多計算機廠商和電訊廠商共同開發的用于計算機外設連接到計算機的規范,符合Microsoft的即插即用規范。此外,它能以菊鏈(daisy-chaining)形式同時連接127個外設,其數據傳輸率可達每秒4Mb～12Mb并能向外設提供500mA的電流。

二、 改造方案

(1)USB技術簡介。USB 主要包括三大部分。主機(Host):實際上就是USB 連接的拓撲中心,是所有計算機 USB 設備的集合點。具有 Host 功能的硬件叫做 USB 主控器 (USB host controller),一般集成在 PC 機或者 USB 附加設備上。集線器(Hub):允許 USB 設備共享一個 USB 主控器(USB host controller),計算機后面板上的 Hub 被稱為根集線器 (root Hub),另外擴展 USB 集線器(External USB hubs)能夠讓計算機連接更多外設。功能 (function):就是指的 USB 設備。每一個 USB 設備都提供一種功能,當然,多功能 USB 設備也就能提供多種功能了。USB 設計的初衷就是簡單、易用,所以整合了電源線和數據線,其中兩根芯線用于提供電源,另外兩根芯線用于數據通信。

(2)硬件方面。PROLIFIC 公司推出的 USB TO RS232 接口轉換芯片 PL-2303HX,彌補了業界此類轉換芯片的空白。PL-2303HX 提供一個RS-232 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。PL-2303HX 的高兼容驅動可在大多數操作系統上模擬成傳統COM 端口,并允許基于COM 端口之應用很方便地轉換成 USB 接口應用。利用 USB大容量傳輸模式、大型數據緩沖器和自動流量控制的優勢, PL-2303HX 有能力達到比傳統通用異步收發端口更高的吞吐量。當不要求是標準 RS-232 信號時,波特率可高于115200bps,用于更高性能的應用,靈活的 PL-2303HX 波特率發生器能被編程而產生從 75bps～6,000,000bps 之間的任何需要的波特率。PL-2303HX 是專為移動設備和嵌入式的解決方案著想,提供一個能很容易裝配到任何連接器和掌上設備的小型芯片。PL-2303HX 無論在工作中或等待模式中消耗的電量都非常少,可留給連接的設備許多的電能。與 RS-232 串行端口的信號標準一樣靈活,允許 PL-2303HX 直接連接 1.8V～3.3V 的設備。PL-2303HX 除外接晶振電路和少數幾個電容外,不需其他的外部元件,其輸入、輸出口與 TTL 電平兼容,可直接與MCU 的串行口連接。此外,PL-2303HX 與RS232 電平轉換芯片配合,可以將已具有 RS232 通信接口的移動設備轉換為可即插即用的 USB 設備。對于具有 RS232 通信接口的傳統實驗醫療設備,只需用 PL-2303HX 芯片取代原有的 RS232 電平轉換芯片,原 MCU 中的通信軟件不需作任何修改,即可升級為具有 USB 功能的USB 設備。對于新產品設計者來說,也不用考慮復雜的 USB通信協議,軟件的編寫可以完全按照過去的串行通信格式編寫,MCU 將數據傳輸給 PL-2303HX 后,PL-2303HX 將從其 DM、DP 端按照 USB 協議傳送出去;從 DM、DP 接收到的數據,經過內部的處理后,將從 TXD、RDX端按照串行通信的格式傳輸給 MCU。對于主機來講,當連接到 PL-2303HX 芯片構成的 USB 設備時,會發現新的設備并要求安裝新設備的驅動程序,此時可以選擇廠家提供的 SERSPL.VXD 虛擬設備驅動程序。虛擬程序安裝后,主機把 USB 設備虛擬為一個串行通信設備,因此用戶在主機上編寫通信程序時,可以按照常規的串行通信格式進行編寫,而不必考慮 USB 通信的各種協議。

(3)改造及效果。在實際工作中,對我校單片機實驗室的單片機實驗實訓系統進行通信接口改造。以PL-2303HX芯片為主要元器件,把原有的RS232接口改造成USB接口與PC機進行通訊。在PC機上安裝好USB-RS232驅動程序后,再把原有單片機仿真調試軟件的串口通訊參數重新設置成新的USB虛擬串口的設備號,就可以正常試用了。該項目實施后,將達到如下效果:有效解決目前因串行口問題引起的單片機仿真器和計算機主板大量頻繁損壞的問題;實現規范的USB轉串口驅動,使單片機仿真軟、硬件連接簡單快捷,不增加使用難度;保證通信速度達到115200 B/S以上符合試驗系統最高通信速度需要;不改變實驗系統外觀。在原實驗箱內增加電路、利用原有接口,不重新打孔。

結束語:總之,采用 PL-2303HX 和 SERSPL.VXD 后,主機和USB 設備之間的通信構成了一個 RS232 —USB —RS232 的過程,用戶在主機和用戶端均可按照標準的串行通信進行處理。而在主機與 USB 設備之間的通信,是按照 USB 的高速進行傳輸,同時具有即插即用的功能。采用 PL-2303HX,為傳統的實驗醫療設備的改造、新實驗設備的快速開發和應用,提供了廣闊的前景。

參考文獻:

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大學出版社,2004.

[2]薛園園.USB應用開發技術大全[M].北京:人民郵電出版社,2005.

(鄭州鐵路職業技術學院)