USB接口在串行通信中的應用

摘要：介紹USB接口在串行通信中的應用，討論USB接口同RS-232接口的轉換以及USB接口modem的簡化設計，并給出了實際中的產品樣圖。

關鍵詞：USB RS-232 通訊類 UniModem

1 USB接口簡介

USB即通用串行總線，可以實現熱插拔，采用菊花鏈結構，最多可以同時連接127臺設備，由總線提供電源，并有檢錯、糾錯功能以保證數據正確傳輸。

USB在PC機上應用時，PC機的操作系統需要支持USB協議，此時PC機上的軟件包括兩部分：USB初始化軟件和運行部分。前者對外設進行構造并定義一個唯一的標識，這就是所謂的列舉過程，以獲得每個外設的描述表。

另外USB主機端軟件分層為多種外設的類，如大存儲器外設、通訊外設、音頻外設、人機接口外設等。

USB數據線傳送差分信號，所有通信由根集線器初始化，并由外部集線器復制，其連接為點到點，采用半雙工。USB數據線上無時鐘信號，故節點間為異步通訊，總線上所有外設的額定通信速率為12MHz，外設采用過采樣方式從總線上接收信號。接收器依賴于有規律的信號變化以保持與發送器的同步，USB規格書中采用不歸零翻轉實現其數據線的發送編碼。

2 USB到RS-232轉換器

RS-232是個流行的接口。在MS-DOS中，四個串行接口稱為COM1、COM2、COM3和COM4，而約大部分windows應用程序最多可以有4個外設，但是如果用戶要擴充更多外設時，就必須要用插入式串行卡或者外部開關盒實現。

RS-232點對點連接，一個串口只能連接一個外設。而USB是一種多點、高速的連接方式，采用集線器能實現更多的連接。USB接口的基本部分是串行接口引擎SIE，SIE從USB收發器中接收數據位，轉化為有效字節傳送給SIE接口；反之，SIE接口也可以接收字節轉化為串行位送到USB總線。

圖1為轉換器加串行外設示意圖。在轉換器和外設接收器端各有一個微控制器，實際上這兩個微控制器可以合并，可采用MCS-51系列控制器或者I2C總線微控制器實現。

圖2為使用外部USB連接的微控制器示意圖，通用微控制器選用MCS-51，USB外圍芯片是Philips的PDIUSBD11，該芯片帶有I2C接口，其SIE接口包括一個中斷和一個較大寄存器，用于對I2C總線的存取。當一個數據包來到時，PDIUSBD11將其中斷線拉低，微控制器轉和中斷處理程序，首先讀取PDIUSBD11的中斷狀態寄存器，然后再讀取其他寄存器的值，以獲得數據包類型和包中數據。每次傳送完一個數據包均會產生一次中斷請求，中斷處理程序監視控制序列并檢測所有錯誤。

3 用USB連接56kbps modem設計

USB協議中包括一個通信類，定義了一種結構，以囊括所有用于遠程通信服務和中速網絡服務設備。這樣，外設就可以將自身標識為一個通信類的外設。

3.1 傳統的modem結構

傳統modem一般包括：

·微控制器：以對控制碼譯碼（AT命令集）

·數字信號處理器（DSP）：對信號調制和解調

·模擬調制和解調電路

·數據存取管理電路

·隔離器：將高電壓或高電流隔離電話線

3.2 簡化設計

由于PC機串口的最高速率為115.2kbps，這樣在圖3的結構會形成一個速度瓶頸。RS-232系統包括2個串行信號路徑，其方向相反，分別用于傳輸命令和數據，而命令和狀態必須與數據交織在一起；而USB支持分離的命令和數據通道并允許獨立的狀態報告。

在Windows操作系統中，通信層的UniModem驅動程序（圖4所示）可以實現modem命令集。微軟的VCOMM口驅動軟件可以重新定位原先面向串行口的輸出，將之直接傳給Windows外設驅動模塊（WDM-Windows Device Driver Model）的類驅動器，由WDM類驅動器將輸出送到USB外設。而采用相反的順序則可將由USB外設的輸入送至Uni-modem驅動器并最終回到應用程序。

另外，由于PC主機有足夠的處理能力，在處理用戶應用程序的同時，完全可以實現實時信號處理，并且Intel在某處理器中保留了MMX指令集。該指令集有DSP算法的優點，同時又是通過“軟”處理實現，且相對于物理的DSP芯片，該指令集的信號處理算法可以方便地升級。

通過“軟處理”，傳統的調制解調器中只保留了調制級、信號隔離器和一個數據存取管理器。圖5即為簡化了的設計，帶有一個變壓器用作隔離器。

本文討論了USB接口技術在串行通信中的應用，通過在外設中加入一個微控制器，并利用幾個Windows支持的通信類，簡化了傳統USB接口modem的設計。文中給出了一個實際modem的簡化設計，利用LabView軟件和VB語言可以對該modem進行仿真模擬。