文治洪，胡文東，李曉京，王 濤

（第四軍醫(yī)大學(xué) 航空航天醫(yī)學(xué)系，陜西 西安 710032）

RS232接口作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)廣泛應(yīng)用于單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，通用串行總線USB（Universal Serial Bus）通信技術(shù)以其易插拔、速度快、即插即用和獨(dú)立供電等特點(diǎn)，已得到更廣泛的應(yīng)用[1]。

為了解決嵌入式系統(tǒng)與個(gè)人計(jì)算機(jī)USB接口之間的通訊問(wèn)題，硬件廠商提供各種不同的解決方案。一種方案是使用帶USB接口的單片機(jī)和獨(dú)立的USB接口器件，如Cypress公司的 CY7C68013A（EZ-USB FX2L）[2]和 Philips公司的PIUSBD12。這種方案需開(kāi)發(fā)人員了解和掌握USB的接口原理、協(xié)議，設(shè)計(jì)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而USB接口協(xié)議的復(fù)雜性給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)諸多不便，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。另一種方案是使用RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，這些器件在其內(nèi)部完成RS232到USB接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換，開(kāi)發(fā)人員完全不用更改或只需更改很少的PC端應(yīng)用程序就可完成與USB接口的通訊任務(wù)，如 Prolific公司的 PL2303、Silicon Labs公司的CP2102型RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器。這類器件價(jià)格成本低，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單[3-4]。

利用RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器完成通訊任務(wù)，既具有即插即用的優(yōu)點(diǎn)，又避免繁瑣的USB協(xié)議和USB驅(qū)動(dòng)，開(kāi)發(fā)方便。這里介紹RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器PL-2303的特點(diǎn)與原理，并介紹利用該器件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與個(gè)人計(jì)算機(jī)之間的通訊接口設(shè)計(jì)。

1 PL2303簡(jiǎn)介

1.1 PL2303的特點(diǎn)

PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器[5]，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART，只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)與RS232信號(hào)的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到手持設(shè)備。該器件作為USB/RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)。

PL2303的高兼容驅(qū)動(dòng)可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM端口,并允許基于COM端口應(yīng)用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應(yīng)用，通訊波特率高達(dá)6 Mb/s。在工作模式和休眠模式時(shí)都具有功耗低，是嵌入式系統(tǒng)手持設(shè)備的理想選擇。該器件具有以下特征：完全兼容USB1.1協(xié)議；可調(diào)節(jié)的3～5 V輸出電壓，滿足3 V、3.3 V和5 V不同應(yīng)用需求；支持完整的RS232接口，可編程設(shè)置的波特率：75 b/s～6 Mb/s，并為外部串行接口提供電源；512字節(jié)可調(diào)的雙向數(shù)據(jù)緩存；支持默認(rèn)的ROM和外部EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備配置信息,具有I2C總線接口,支持從外部MODEM信號(hào)遠(yuǎn)程喚醒；支持Windows98，Windows2000，WindowsXP等操作系統(tǒng)；28引腳的SOIC封裝。

1.2 PL2303的選型

PL2303可提供PL2303X、PL2303HX兩種版本。PL2303X用于3.3 V電壓的應(yīng)用，PL2303HX用于以前使用PL2303H（5 V）設(shè)計(jì)應(yīng)用的升級(jí)，而兩者驅(qū)動(dòng)程序相同。

1.3 PL2303引腳功能描述

PL2303X的主要引腳功能描述如下：

VDD_325（PIN4）：RS232供電電源。 必須與 RS232接口使用同一電源。

TXD（PIN1），RXD（PIN5）：RS232 的數(shù)據(jù)輸出/輸入。

DTR_N，RTS_N，RI_N，DSR_N，DCD_N，CTS_N：RS232 的6個(gè)控制引腳，分別為：DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，RTS發(fā)送請(qǐng)求，RI響鈴指示器,DSR數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,DCD數(shù)據(jù)載波檢測(cè)，CTS線路暢通。

VDD_33，GND：3.3 V 電源和接地。

SHTD_N：關(guān)閉 RS232收發(fā)器。

DP，DM：USB D+信號(hào)和 USB D－信號(hào)。

VO_33：3.3 V輸出電源。

RESET_N：系統(tǒng)復(fù)位。

VDD_5：USB的5 V電源。

將 PL2303 的 TXD（PIN1）和 RXD（PIN5）分別與單片機(jī)上的串口（TXD和RXD）連接，DM、DP與計(jì)算機(jī)的USB接口連接，再加上其他外圍元件，就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通訊。PL2303支持默認(rèn)ROM和外部EEPROM 2種不同的存儲(chǔ)方法，可存儲(chǔ)包括 PID（Product ID），VID（Vendor ID）和器件收發(fā)器控制和狀態(tài)等信息，如果不希望采用默認(rèn)的設(shè)置，則需外擴(kuò)一個(gè)EEPROM（如ST公司的M24C02）。

2 心理測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

心理測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)屏幕顯示題目，單片機(jī)采集被試的按鍵反應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)連線將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中，測(cè)試完成后再進(jìn)行分析，并報(bào)告測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)共有36個(gè)按鍵盒，每個(gè)鍵盒上有0～9共10個(gè)按鍵，單片機(jī)通過(guò)掃描方式，可以同時(shí)測(cè)試36人，大大提高測(cè)試效率。傳統(tǒng)的心理測(cè)試系統(tǒng)[6]采用串口方式通訊。為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，并盡量減少對(duì)原系統(tǒng)程序的改動(dòng)，這里選用USB轉(zhuǎn)UART橋接器PL2303X進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用TI公司的MSP430F149作為控制器。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合模擬控制器[7]，具有多種省電模式，靈活的時(shí)鐘源可使器件達(dá)到最低功耗，特別適合于電池供電的手持設(shè)備。

MSP430F149提供2個(gè)內(nèi)置的串口通信模塊，可方便地與PL2303連接。采用兩線連接串口方式，分別將MSP430F149的P3.4（UTXD0），P3.5（URXD0）與 PL2303 的 P1（TXD），P5（RXD）連接，PL2303 中的串行接口控制信號(hào) RI，DSR，DCD，CTS 和GP0通過(guò)220 kΩ電阻連接至電源。PL2303的電源接0.1 μF的去耦電容，復(fù)位引腳上拉到電源端。5 V的鎖相環(huán)電源電壓VDD_5與地之間接一只0.1 μF的去耦電容。GP1通過(guò)220 kΩ電阻接地，指示系統(tǒng)為輕載狀態(tài),提供100 mA的電流。3.3 V輸出為MSP430F149提供電源。圖2為PL2303電路連接。USB接口電路按照標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)相應(yīng)元件。

圖2 PL2303接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口程序包括單片機(jī)通訊設(shè)置，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，以及PC應(yīng)用等3部分程序,這三者互相配合實(shí)現(xiàn)可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。

1）單片機(jī)通訊設(shè)置程序 單片機(jī)程序?qū)嶋H上是完成單片機(jī)對(duì)串口的初始化，即對(duì)波特率，數(shù)據(jù)位，校驗(yàn)位，有無(wú)奇偶校驗(yàn)等通信協(xié)議的設(shè)計(jì)及單片機(jī)串行通信功能控制器的設(shè)置。該設(shè)計(jì)以串口參數(shù)波特率115 200，數(shù)據(jù)位8，停止位1，校驗(yàn)位0。

2）USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 在PC機(jī)上安裝Prolific公司免費(fèi)提供的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)安裝完后，PC系統(tǒng)出現(xiàn)1個(gè)“Prolific USB-to-Serial Comm Port”自動(dòng)增加一個(gè) COM口，如COM3，COM4 等。

3）PC應(yīng)用程序 用戶按照傳統(tǒng)的串行接口控制方式來(lái)使用該模擬的“COM口”。使用Delphi語(yǔ)言調(diào)用RS232的控件（MSCOMM32）或API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通訊。串口通訊參數(shù)應(yīng)與單片機(jī)所設(shè)置參數(shù)一致。當(dāng)設(shè)備插入不同的USB接口時(shí)，計(jì)算機(jī)認(rèn)為一個(gè)新設(shè)備，需重新安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)插入計(jì)算機(jī)不同USB接口時(shí)，虛擬的"COM口"不同，因此，需要計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)識(shí)別是在哪一個(gè)串口插入的設(shè)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹采用PL2303設(shè)計(jì)的串口轉(zhuǎn)接USB接口的方法，實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)的USB接口與單片機(jī)之間的通信。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，PC機(jī)和單片機(jī)均是按照標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信進(jìn)行處理，對(duì)于早期設(shè)計(jì)的串口通訊程序無(wú)需重新設(shè)計(jì)，就可將之前采用RS232通訊的產(chǎn)品升級(jí)至USB接口，并且設(shè)備具有允許設(shè)備熱拔，即插即用的功能，同時(shí)無(wú)需外接供電電源，便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和用戶使用，擴(kuò)展產(chǎn)品的使用范圍。但這種設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，原RS232接口設(shè)備設(shè)計(jì)改動(dòng)方便的特點(diǎn)，為手持設(shè)備的通訊接口設(shè)計(jì)提供了較好的參考價(jià)值。

[1]馬 偉.計(jì)算機(jī)USB系統(tǒng)原理及其主/從機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]謝 宏，徐 雪.EZ-USB FX2接口在生物電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）：1-3.

[3]姚渭箐，周 偉.基于FT2232H的USB-RS232轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）：4-6.

[4]于 波，胡 毅，文江濤.基于CP2102的USB接口設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2007（3）：39-42.

[5]Prolific Technology Inc.PL2303 DataSheet[EB/OL].2004.http：//www.prolific.com.tw/support/files//IO%20Cable/PL-2303X/Documents/Datasheet/ds_pl2303XA_v15F.pdf.

[6]胡文東，王 濤，李曉京，等.計(jì)算機(jī)多媒體群體心理測(cè)量系統(tǒng)研制[J].第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，20（3）： 225-227.

[7]Teaxs Instrument，Inc.MSP430 MCU Datasheet[EB/OL].2006.http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f149.pdf.