一種USB通信系統的設計方案

　　USB（Universal Serial Bus）是一種目前通用的串行總線技術，它是通過PCI總線和PC的內部系統數據線連接，實現數據的傳送，具有即插即用的功能，支持熱拔插，設備間線纜的長度可達5 m左右。

　　USB接口信號線有4條線，兩條是電源線與地線（Vbus與GND），兩條是以差分方式產生的信號線（D+與D-），從而實現了主機系統與USB設備之間的數據通信，見圖1。

圖1 USB通信數據流

　　USB總線121技術是基于分組交換方式的總線通信。首先把數據分成若干塊，然后在每塊數據前添加上同步信號、包標識，后面添加上CRC校驗，形成USB封包。USB總線通信使用一種差分的輸出驅動器來控制數據信號在USB電纜上的發送，即通過控制D+和D一線從空閑態到相反的邏輯電平，實現源端口的包發送。包發送結束后，D+和D-上的輸出驅動器均處于高阻抗狀態。

　　2 USB通信系統設計

　　2.1 硬件設計

　　USB通信接口是連接Pc機和汽車尾氣檢測儀內嵌單片機通信的橋梁，目前采用USB接口芯片來實現PC機與單片機AT89C5(＄3.7500)1之間的連接是一種比較好的方法。

　　由于汽車尾氣檢測系統內嵌單片機是采用串口（TXD、RXD）以RS232(＄780.5000)方式進行通信的，所以USB芯片與單片機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公司推出的可實現USB接口轉RS232串口的轉換芯片PL一2303HX。根據汽車尾氣檢測儀USB通信系統設計要求，USB通信接口電路設計如圖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個端點實現，由于USB芯片PL2303HX支持類RS232接口，含有全雙工發送和接收（RXD、TXD）串口，所以，PL2303HX芯片與單片機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AT89C51的TXD、RXD和GND連接，雙方都可發送和接收。

　　2.2 軟件設計

　　2.2.1 通信方式

　　本文USB通信系統采用異步半雙工通信方式，即通信的某一方發送和接收交替進行。通信的數據格式為每幀10位，包括1位起始位、8位數據位和1位停止位，見圖3。

圖3 字節傳輸序列

這里設置單片機串行口采用T作模式l，為10位異步通信，片內定時器Tl作為波特率發生器，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，分別設為0和l，從而設置其串行口為模式l；當定時器／計數器Tl控制寄存器TMOD中C／T=0和M1M0=10時，AT89C51定時器／計數器Tl為定時器模式，設置為方式2。作為波特率發生器，其波特率表示為：

　　則：定時器Tl的初值應設置為11Ll=THI=F3H，另外應禁止定時器Tl中斷，以免因定時器T1溢出而產生不必要的中斷。

　　2.2.2 通信協議

　　進行通信之前，通信雙方首先要根據系統的功能要求制訂某種特定的通信協議，然后才能編寫相應的通信程序。本文通信協議：

　　①通信雙方均使用2 400 bps的速率傳送數據，PC機與AT89C51均工作于串口方式l（1位起始位、8位數據位、l位停止位）。

　　②AT89C51在發送和接收數據時，采用串口中斷方式。

　　③PC機發出數據采集命令（握手信號），單片機AT89C5l串口收到握手信號后，立即將AT89C51內存存放的檢測數據經過USB通信接口發送到PC機，一次數據采集完成。

　　2.2.3 通信程序流程

　　通信程序涉及到PC機通信程序和AT89C51串口通信中斷程序，上位機（PC機）發出數據采集命令，下位機（單片機AT89C51）收到握手信號后，將數據傳回PC機，從而完成一次數據采集，圖4和圖5是兩個通信程序的流程圖。

圖4 PC機通信子流程

圖5 單片機串口中斷子流程

　　3 結語

　　本文設計的USB通信系統已在汽車尾氣檢測儀數據通信中得到了很好的應用。該系統具有采集數據準確可靠、使用靈活方便等優點，這種用USB通信技術取代傳統串口通信的方法切實可行，有望在其他的智能儀器、儀表設備中得到借鑒和推廣應用。