基于USB接口的信号模拟器设计

引 言

USB总线是一种高效、快速、价格低、体积小、支持热插拔的串行通信接口，目前USB这一接口形式在电子产品的设计中得到了广泛应用。本文所设计的RS485信号模拟器就是采用USB接口总线，可以很方便与PC机进行连接，并且USB接口可以为外界提供电源。 RS485是一种平衡方式传输的串行接口标准，它的电气特性标准中有严格规定，但它的通信协议可以由用户自行定义。本文将详细讨论USB总线信号与 RS485总线信号的相互转换，及PC机终端应用软件对USB接口芯片的各种操作。在此基础上用户可以根据不同需求，在终端应用软件中自行设计通信协议。

1 总体设计

信号模拟器主要包括USB接口芯片、单片机子系统、RS485与TTL电平转换子系统。它可以实现两个功能：a.信号模拟器通过应用程序软件设置串行通信参数和数据帧结构，最终输出的信号是指定串行通信参数和数据帧格式的RS485总线数据，可以为采集器提供标准信号源;b.在信号模拟器内部可以实现信号自反馈功能，即将实际发送给采集器的数据通过信号模拟器内部回环电路回送给终端应用程序软件并最终显示出来，以验证信号模拟器发送数据是否正确。

USB接口芯片FT245R是将USB接口信号转换成8位并行信号，由MCU读取8位并行信号数据，然后MCU通过全双工的串口将读到的数据发送给 RS485电平转换电路1，这样输出的信号就是满足指定要求的标准RS485总线信号。将RS485电平转换电路1输出端信号反馈给RS485电平转换电路2的输人端，这样可以把RS485电平转换成TTL电平，再通过全双工的串口进行接收，最终将数据回送到终端应用程序软件。信号模拟器的设计总体框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 USB接口芯片FT245R

FT245R由FTDI(Future Technology Devices Inte-national Ltd.)公司推出，该芯片主要完成USB串行总线和8位并行FIFO接口之间的相互协议转换。整个USB通信协议全部由芯片自动完成，开发者无须考虑底层固件的编程。该芯片利用内部集成的时钟电路进行工作，无须外部提供时钟;完全兼容USB2.O协议。它有256字节的接收缓冲区和128个发送缓冲区，可以进行数据的大吞吐量操作。通过8位并行数据口D[O：7]和4位读写状态/控制口RXF、TXE、RD、WR就可实现与微控制器的数据交换。

下面介绍读写FT245R FIFO操作时序要求。

(1)FT245R FIFO读操作

读操作时序如图2所示。当RXF为低，表示当前FIFO接收缓冲区内有数据，可以执行读操作读取接收缓冲区数据。在RD电平由高变低，FIFO控制器将接收缓冲区中的数据输出到8位数据端口上，MCU此时只需读取I/O口就可以将数据取到内部数据总线上来，再将RD信号拉高完成1字节数据的读取。当将 FIFO接收缓冲区中的数据全部取出后，RXF被拉高表示数据为空。在RXF为高时，禁止从FIFO接收缓冲区读取数据。

(2)FT245R FIFO写操作

写操作时序如图3所示。当TXE为低，表示当前FIFO发送缓冲区空，可以向发送缓冲区写入数据。在WR为高电平时，MCU将8位数据D[0：7]送到并行I/O口上，在WR信号电平由高变低时数据被写入发送缓冲区中。当TXE为高时，表示当前FIFO发送缓冲区已满或者正在写入上一个字节，此时禁止向发送缓冲区中写入任何数据。MCU向FT245R写入数据时应确保TXE为低。

2.2 单片机子系统

单片机子系统包括单片机和上电复位芯片。本设计中采用的单片机是AT89S52。 AT89S52作为系统的中央处理器担负着系统和PC主机的通信、系统内各部件正常工作等重要任务。AT89S52这款单片机内部有看门狗电路，可防止程序陷入“陷阱”或跑飞。为了使单片机上电复位可靠，这里采用专门的复位芯片MAX708。

2.3 RS485接口电路设计

信号经过单片机的UART接口，再经过MAX485转换即构成了RS485通信接口。

2.4 硬件电路图

USB接口可以向外提供电源。USB接口规范规定：可提供电源电压为4.75～5.25 V，低输出功率USB端口最大的输出电流为100mA。信号模拟器所需的供电电压和电流满足USB接口电源指标，因此采用USB接口为信号模拟器提供电源。

3 软件设计

软件的设计主要包括单片机程序的设计和PC机终端应用程序的设计。

3.1 单片机程序设计

单片机程序采用C语言编程，程序结构清晰，可读性和可维护性高。

3.1.1 单片机读写FT245R FIFO缓冲区程序

单片机通过P0口来读写FT245R FIFO缓冲区中的数据。P0口作为数据总线，读数据前，须向P0口全写1，这样才能正确读取数据。FT245R FIFO缓冲区读写时序要求如前文所述。MCU读写FT245R缓冲区程序如下：

3.1.2 单片机流程控制

MCU负责USB接口芯片FT245R的数据发送接收控制，单片机串口配置及串口接收发送任务。

整个程序的流程分为以下几个步骤：

①单片机和FT245R的初始化，启动看门狗程序。

②对FT245R接收缓冲区有无数据进行判断，若无数据，喂狗;若有数据，转向步骤③。

③对帧信息类型进行判断，若为命令配置帧，则读取FT245R接收缓冲区数据，然后对串口进行配置;若为数据帧，转向步骤④。

④串口数据发送接收采用查询方式，MCU读取FT245R接收缓冲区的1字节，然后通过串口进行发送。

⑤判断串口发送和接收是否完毕，若完成，将接收到的数据写入到FT245R发送缓冲区中;若未完成，喂狗，断续执行⑤。

⑥重复执行②～⑤，直到读出接收缓冲区里的所有数据。

3.2 PC机终端应用程序软件设计

PC机终端应用软件程序的主要目的是实现对USB接口芯片FT245R的接口控制和读写操作，提供友好的人机界面来设置串行通信参数、数据帧格式、帧发送方式等。计算机端有关USB通信的开发不需要了解USB底层驱动，FTDI公司已经以动态链接库的形式封装好了面向功能应用的API函数，开发者可以在多种高级语言中调用，功能强大且灵活方便。

FTDI公司为FT245R芯片提供了2种驱动程序：VCP驱动和D2XX驱动。使用VCP驱动程序，数据传输速率可达300 kb/s;使用D2XX驱动程序，数据传输速率可达1 Mb/s。下面分别介绍基于以上2种驱动的应用软件程序设计。

3.2.1 基于VCP驱动的应用程序设计

在PC机上安装一个由FTDI公司提供的虚拟串行口VCP(Virtual COM Port)驱动程序，它是将USB接口芯片虚拟成操作系统的一个串口通信口，对这一虚拟的串行口的操作等同于对该USB接口设备的操作。应用程序通过调用 Win32 COMM控件的API函数来完成对芯片的读/写操作。

VCP驱动由2部分组成：FTDIBUS和FTSER2K。FTDIBUS完成2个功能：控制虚拟串口的生成，以及与USB接口芯片进行通信。FTSER2K完成对串口的各种操作。

应用软件程序设计可以采用成熟的串行通信控件MSComm来完成对虚拟串口的各种操作。MSComm控件很好地封装了Windows API的串口通信函数，屏蔽了繁琐的通信细节，只需使用控件提供的接口即可。

3.2.2 基于D2XX驱动的应用程序设计

为了获得更快的数据传输速率，本文选择D2XX驱动来进行应用软件程序开发。D2XX驱动包括FTD2XX.DLL、FT2XX.SYS、USB Stack三部分。应用软件程序通过动态链接库文件FTD2XX.DLL可访问驱动程序FTD2XX.SYS的编程接口，进而可以对FT245R芯片进行各种操作。

FTD2XX.DLL提供了丰富的接口函数来对FT245R进行各种操作，主要函数如下：

FT_Open 用于打开USB接口设备

FT_Read 从USB接口芯片中读取数据

FT_Write 向USB接口芯片里写入数据

FT_Close 关闭USB接口设备

FT_SetTimeouts 设置读写FT245R缓冲区的超时时间设计中使用MFC作为计算机终端应用软件的开发平台。程序设计要点如下：

①新建一个工程文件，加载FTD2XX.H文件到工程中，在每一个CPP文件中都要加入头文件FTD2XX.H。在FTD2XX.H文件中可以查看动态链接库(FTD2XX.DLL)提供的接口函数。在新建的类中，用到哪个接口函数，需在该类的头文件中对接口函数进行声明。FTDI公司提供D2XX驱动的安装程序，进行安装后即可在Win-dow32下生成FTD2XX.DLL文件。

②应用程序须首先加载动态链接库文件Ftd2xx.dll，之后才能调用动态链接库的接口函数，对USB接口芯片进行各种操作。加载库命令即LoadLibrary("Ftd2xx.dll")。

③在打开USB接口设备之前，须先关闭USB接口设备。即先执行FT_Close函数，然后执行FT_Open函数。USB接口设备打开后，就可以对芯片缓冲区进行读/写操作。在完成终端应用软件对FR245R芯片的各种操作后，用户可根据不同需求，自行设计通信协议，包括串行通信参数、数据帧格式、数据帧发送方式等。终端应用软件界面如图4所示。

结 语

本文主要讨论了基于USB接口的RS485信号模拟器的软硬件设计。整个信号模拟器已经完成调试，经工程实际测试，终端应用程序运行可靠，信号模拟器数据发送正确无误。这种基于USB接口芯片FT245R的软硬件设计，可应用于其他基于USB接口的信号模拟器和数据采集领域，具有广泛的工程应用前景。