嵌入式系統與PC機的USBUART通信設計
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RS232(UART)接口是一種簡單、方便和實用的通信接口，用途非常廣泛。在許多嵌入式應用，如智能儀器儀表、電子設備中，均使用RS232與PC機等外部系統進行通信，實現上位機對下位機的控制及數據交換等。在系統調試過程中，通常也是通過RS232，將調試數據發送到PC上顯示出來。
但在PC機領域，RS232(COM)串行接口已經從最新一生產的計算機，尤其是筆記本電腦中消失了，而串行接口USB成為了標準的配置。這種變化給硬件工程師帶來了不少麻煩。
目前通常的解決辦法是購置一根“USB to RS232”轉換電纜，其基本作用是在USB總線上仿真出一個RS232端口。這種方法的主要優點在于：PC應用程序將該USB口連接當作COM口連接使用，從而可以使工程師輕松跨越復雜的USB低層接口協議，仍使用原來熟悉的，針對COM口操作的方式編寫程序代碼。
本文將介紹另外一種與上述方法原理類似的設計實現方案，設備之間的外表連接全部換成了USB標準物理接口和連接電纜，但在PC上仍然使用針對COM口操作的方式編寫程序代碼，保留了原來的風格。該方案是采用Cypress公司PSoC家族中帶USB接口的CY7C64215(或CY8C24x94)芯片實現的。
2 PSoC、PSoC USB和USBUART
2．1 PSOC
可編程片上系統(Prograromable System on Chip，PSoC)，是Cypress公司近幾年推出的一種新型的可編程半導體器件芯片。PSoC由8位微處理器內核，多個可編程的模擬模塊和數字模塊，硬件乘法累加器，以及I2C、Flash、SRAM等周邊外圍資源組成。因此，PSoC除了能實現一般MCU的功能外，還可通過可編程模擬和數字模塊，靈活地實現嵌入式系統所需的多種模擬與數字外圍功能。PSoC集三種可編程能力于一體，不僅具有MCU的可編程能力，還包含了部分可編程邏輯運算功能，同時提供了可編程模擬陣列。通過對寄存器的配置或控制，三者之間還可以協調工作，是具有真正的混合信號處理能力的可編程片上系統。
PSoC中的數字資源(如定時器、PWM、UART等)和模擬資源(如放大器、比較器、濾波器等)是以數字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數字模塊和模擬模塊的數量不同。用戶可根據特定需求來定義這些模塊。
PSoC的集成開發環境PSoC Designer也預先為用戶定義了近百個常用的數字和模擬資源配置模塊。這些預定義的模塊稱為用戶模塊，如數字資源有定時器、PWM、UART、SPI、CRC、PRS等，模擬資源有放大器、比較器、濾波器等，ADC則由若干數字模塊和模擬模塊組合而成。這使得PSoC開發人員無需通過設置寄存器來構建這些周邊設備，只需在PSoC Designer中選擇和放置所需的用戶模塊并進行參數設定。PSoC Designer不僅能配置用戶模塊，還為用戶創建了低層驅動函數，并提供使用這些用戶模塊的API函數供用戶編程時調用。這種新穎的系統設計方法使工程師可以把主要精力集中在上層系統軟件的設計工作中，極大地方便了整個系統的設計開發。
2．2 PSoC USB
PSoC系列中的CY7C64215、CY8C24x94芯片不僅具備上述PSoC的功能和特點，還包括了一個功能完善的全速(12 Mbps)USB端口。PSoC的USB端口資源符合USB2．O規范，是一個可以工作在12 Mbps速度下的全速器件，具備1個上行端口和1個USB地址的規范要求。PSoC USB包括1個串行接口引擎(SIE)，1個PSoC存儲器仲裁器(PMA)，256B的專用SRAM，1個帶有內部調節器的全速USB收發器以及2個專用USB引腳。
USB SIE支持5個端點，包括1個控制端點(端點0)和4個數據端點(端點1、2、3和4)。控制端點經過配置可支持SETUP、IN和OUT請求。數據端點可分別獨立配置，從而響應中斷、批傳輸、同步IN或OUT請求等。SIE使PSoC器件能與USB主機實現全速通信，并可自動完成以下USB處理任務，無需固件干預，從而簡化了USB流量接口的工作。
①將接收到的編碼數據進行轉換，將總線上要傳輸的數據格式化。
②生成CRC校驗和。忽略那些傳送進來的未通過校驗和驗證的數據包。
③地址檢查。忽略所有地址未指向器件的事務。
④發送適當的ACK／NAK／Stall握手信號。
⑤識別標記類型(SETUP、IN、OUT)，一旦接收到有效的標記，即設置適當的標記位。
⑥識別幀起始(S()F)并保存幀的數量。
⑦通過PSoC存儲器仲裁器向USB SRAM發送數據，或從USB SRAM接收數據。
PSoC存儲器判優器(PMA)是PSoC USB專用SRAM與數據SRAM的2個內存塊(USB SIE與M8C)之間的接口。PMA可提供8個通道用于傳輸數據。M8C可使用所有的通道寄存器，但4個非控制USB端點分別由PMA通道寄存器的特定集來分配。
PSoC USB系統資源包含專用的256 B SRAM，其與PSoC內核中所用的SRAM頁相同，但不能通過M8C存儲器操作指令存取。PSoC USB的專用SRAM只能通過PMA寄存器進行存取。
內部USB收發器與外部USB總線相連，根據USB2．O規范收發信號。在正常的USB操作狀態下，收發器直接與SIE連接，初始化之后無需與用戶互動。
就系統級而言，PSoC的全速USB系統資源通過M8C寄存器訪問指令進行操作配置，實現與PSoC其他部分的連接，并通過2個USB引腳與外部相連。
2．3 USBUART用戶模塊
USBUART用戶模塊是PSoC集成開發環境PSoCDesigner中專門為用戶使用PSoC USB預先定義的自動配置資源。USBUART實現了USB設備功能，并利用PSoC的1個USB端口來仿真1個COM端口，同時在PSoC器件側提供了類似于UART的高層API函數。因此利用該用戶模塊可以方便地替代傳統的基于RS232(UART)接口的通信方案。2種方案的對比如圖1所示。
USBUART是在PSoC的USB端口基礎上，在USB總線上仿真RS232端口。這種方法的主要優點在于，PC的上層應用程序將此USB設備仍舊看作是1個COM連接，從而使上層操作非常易于實現。這種方法可以使用在從Windows 98SE到Windows XP所有版本的MicrosoftWindows操作系統中的標準COM口驅動程序――MSC0M控件來編寫的應用程序中。
USB通信設備類(CDC)規格定義了許多通信模型，其中包括了1個在USB上實現串行通信仿真的抽象控制模型。Microsoft Windows USB調制解調器的驅動程序usbser．sys符合此規格。
在一臺新的USB設備第一次連接到一臺WindowsPC時，Windows將要求用戶提供驅動程序。Windows2000及以后版本在安裝驅動程序時需要一個INF文件。Windows沒有為這個usbser．sys驅動程序提供標準的INF文件。為了安裝能夠在USB上仿真RS232的設備，用戶必須提供一個能夠將附加的設備映射到MicrosoftCDC驅動程序的INF文件。USBUART用戶模塊會自動生成這個必要的INF文件，建立在工程項目的LIB文件夾內供使用。在提供了INF文件后，驅動程序允許USB1設備仿真成1個USB端口。
PC上面向COM口終端應用程序中的設置(波特率、數據位、奇偶校驗、停止位和流控制)都不會影響數據傳輸的性能，因為此時的COM口實際是USB設備，使用USB協議來控制數據流。但是，除了流控制以外的COM口終端設置值，在PSoC端可以采用特定的API函數調用檢索到，以便在需要時用于真正的RS232設備。
3 軟硬件設計
實際上應用工程師并不需要了解如此多的關于USB的底層內容和協議。只要基本掌握和看懂圖1所示的原理，借助PSoC：USB和USBUART，就可以在很短的時間內實現基于USB接口的PC與嵌入式系統的連接通信。下面具體介紹該方案的軟硬件設計和實現。
3．1 硬件設計
圖2是采用CY7C64215實現該方案的原理圖。
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