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通过串口及USB实现数据传输

  • 简介:(毕业论文 字数:16445 页数:34)摘要:本文设计了一个USB/RS-232转换器,通过它能实现串口及USB的数据传输。USB作为一种新的电脑互连协议,使得外设到计算机的连接更加高效、便利,是计算机外设接口的发展趋势,将逐步取代RS-232协议串口,因此很多传统的RS...
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(毕业论文 字数:16445 页数:34)摘要:本文设计了一个USB/RS-232转换器,通过它能实现串口及USB的数据传输。USB作为一种新的电脑互连协议,使得外设到计算机的连接更加高效、便利,是计算机外设接口的发展趋势,将逐步取代RS-232协议串口,因此很多传统的RS-232接口设备都将面临一个向USB接口转换的问题。设计USB/RS-232接口适配器的方法也是多种多样。
本设计选用的方案是采用Cypress公司通用的USB控制器芯片CY7C68013,利用其内置的通用异步收发器(UART)在USB与RS-232之间进行信号转换。使用C语言编写设备的固件程序,并在Keil C下进行编译调试;用Visual Basic 6.0开发相应的应用程序。最后,通过该设备连接两台计算机进行通信,并成功地实现文件传输。

关键词:转换器,串行通信,USB,RS-232,CY7C68013

目录
1 引言 1
1.1 课题提出的背景和意义 1
1.2 相关技术发展现状 2
1.2.1 USB(Universal Serial Bus)通用串行总线简介 2
1.2.2 串行通信RS-232接口简介 4
1.3 设计思路与内容安排 5
2 设计思路及方案选择 6
2.1 方案对比 6
2.1.1 设计RS-232/USB转换器为一个HID设备 6
2.1.2 直接使用专用的USB/RS-232双向转换芯片 6
2.1.3 采用通用的USB控制器 7
2.2 选择USB/RS-232转换器设计方案 7
2.2.1 通信协议 7
2.2.2 设计方案 7
3 硬件设计 8
3.1 芯片的选取 8
3.1.1 主芯片CY7C68013 8
3.1.2 电源转换芯片 9
3.1.3 电平转换芯片 10
3.2 硬件电路设计注意事项 10
3.3 硬件电路设计 11
3.3.1 硬件原理图 11
3.3.2 元器件清单 13
3.3.3 成品实物 13
4 软件设计 15
4.1 驱动程序概述 15
4.2 固件程序设计 16
4.2.1 USB设备固件程序概述 16
4.2.2 固件程序结构及组成 16
4.2.3 固件程序设计 19
4.3 应用程序设计 20
4.3.1 USB设备与计算机通信应用程序 20
4.3.2 串行接口与计算机通信应用程序 21
5 系统调试 24
5.1 系统的硬件调试 24
5.2 固件程序的调试 25
5.3 开发环境 26
6 结论 27
附录A 28
参考文献 31
致谢 33

1 引言
目前带USB接口的设备越来越多,如鼠标、键盘、数码相机、调制解调器、扫描仪、摄像机、电视及视频卡、音箱等。所以对USB设备开发过程和开发技术的了解和掌握十分必要。本文将设计一个串口到USB的接口卡,以实现计算机的串口到计算机USB接口的数据传输。
1.1 课题提出的背景和意义
近年来计算机运行速度的大幅度提高,外设数量的急剧增加和品种的多样化,对主机与外设之间的总线传输速度、拓扑结构以及连接的方便性提出了更高的要求。并且传统的计算机与外设通过串行总线/并行总线或PCI总线通信已无法满足计算机外设发展需求。而USB总线随着技术的推动和PC价格的不断下降,作为一种新型的高速数据传输总线正在得到越来越广泛的应用,加上USB作为一种新的PC机互连协议,使外设到计算机的连接更加高效、便利,解决了如资源冲突、中断请求(IRQs)和直接数据通道(DMAs)等问题。因此成为计算机外设接口的发展趋势,将逐步取代RS-232协议串口。
面对以上的状况,设计人员可采用两种基本方法调整系统,使之适应无传统接口PC。第一种方法是进行全面的系统再设计,使设备本身能够支持USB连接;第二种方法是使用USB至RS-232适配器。为了顺应这种情况,对习惯使用RS-232的开发者可以设计USB/RS-232转换器,以便通过USB总线传输RS-232数据。通过USB/RS-232转换器,PC端的应用软件依然是针对RS232串行端口(COM PORT)编程的,外设也是以RS-232为数据通信通道,但从PC端到外设之间的物理连接却是USB总线,其上的数据通信也是USB数据格式。采用这种方式的好处在于:一方面可保护原有的软件开发投入,并使已开发成功的针对RS-232外设的应用软件不加修改即可继续使用;另一方面充分利用了USB总线的高传输速率和即插即用的特性,而且对于PC机而言还可以节余一个RS-232串口为其它通信所用。本论文就是在这样的背景下致力于设计一个基于Windows操作系统上的USB/RS-32接口适配器。并通过该设备连接两台电脑,设备的一端(RS-232接口)连接一台计算机的串口,另一端(USB接口)接另一台计算机的USB接口。并完成两台计算机间的数据传输[3]。
1.2 相关技术发展现状
1.2.1 USB(Universal Serial Bus)通用串行总线简介
1.2.1.1 USB特点
USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是由 Compaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northern Telecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器,它支持各种PC与外设之间的连接。基于USB开发出来的设备有许多优点,具体表现在如下几个方面:
(1) USB具有真正的“即插即用”特性,用户可以很容易地对外设实行安装和拆卸,主机可按外设的增删情况自动配置系统资源,同时用户可以在不关机的情况下进行外设更换,外设装置的驱动程序安装、删除将实现自动化。
(2) USB具有很强的连接能力,最多可以链接形式连接127个外设到同一系统,这对一般的计算机系统是足够的了。
(3) 低成本。一方面USB简化了外设的设计制造过程,因为所有系统的智能机制都驻留在主机中,另一方面USB从1996年4 月起并入了Intel芯片组,从而是设备制造的开销降低。
(4)节省空间。USB的引入减轻了对目前PC机中所有标准端口的需求,从而也减少了对PC机扩展插槽的需求。
(5) USB与增强型时分多路转换ETDN(Enhanced Time Multiplexing)特性可以支持诸如ISDN等高速数字电话信息通路接口,再加上Windows USB Telephone API后,可为今后PC机与电话的集成提供了良好的基础。
(6) 连接电缆轻巧、电源体积缩小。USB使用4芯电缆和+5V直流电源给USB的用户和厂商带来了方便。
(7) USB是一种开放性的不具专利版权的理想工业标准,由150多家企业组成的“USB 实施者论坛”是一个标准化组织,它所指定的任何标准不为哪一家公司所独有,不存在专利版权问题,所有USB组织的成员只要交付一定的会费即可。这一点也正是USB规范具有强大生命力之处。开放性是当前计算机技术能得到飞速发展的重要原因之一。正是因为这些与众不同的特点,导致了现在开发USB相关设备的热潮[1] [2]。
1.2.1.2 USB的发展现状
1995年提出USB概念,并由Compaq、Digital Equipment Corp。(现在属于Compaq)、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Telecom七个计算机与通信工业领先的公司所组成的联盟所定义并加以推广。同一年,该联盟建立了实施者论坛(以下简称USB-IF)来加速USB标准的高质量兼容设备的开发。1996年USB-IF 公布了 USB 1.0 版。这是第一个为所有USB产品提出设计请求的标准。1998年,在对该版本的标准进行进一步阐述和扩充的基础上,发布了USB1.1版。而此时联盟仅剩四个核心成员公司,它们是Compaq、Intel、Microsoft 和 NEC 公司。由于USB的方向已偏离了通信的相关领域,使得 IBM和 Northern Telecom退出了该联盟。这样,也造成了目前应用于电话的USB设备的发展仍然稍嫌缓慢一些。USB2.0 版本发布于1999年。此时,Hewlett Packard、Philips和Lucent三个公司加入了USB-IF联盟,使得联盟的核心成员重心又恢复为七个。之后,随着USB的普及与推广,USB成员一直持续不断地增加,如今已是非常庞大的组织了。2001年12月18日由USB-IF公布了第四个版本的USB OTG(是 USB On-The-Go 的缩写)增加了许多新的特性[2]。

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