擴(kuò)展USB連接的幾種方案比較

USB（通用串行總線）是現(xiàn)在支持許多通用現(xiàn)成的外圍設(shè)備，如鍵盤，鼠標(biāo)，打印機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備等的公認(rèn)作為首選的連接方案。對(duì)于致力于工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)的設(shè)備制造商來說，USB也成為滿足其連接至PC需求的一個(gè)優(yōu)先的選擇。事實(shí)上，對(duì)于任何一個(gè)使用標(biāo)準(zhǔn)的PC作為控制器設(shè)備的應(yīng)用， USB接口的好處是顯而易見的。雖然大批量短生命周期的通用外設(shè)可以不使用USB接口，一些有更長(zhǎng)的生命周期的定制型應(yīng)用則需要添加USB連接來解決現(xiàn)代 PC缺乏傳統(tǒng)的連接接口的問題。

在這些現(xiàn)代PC所不支持的接口中，RS － 232串行接口是一個(gè)典型的例子，從軟件的角度看，RS－232相比USB更容易實(shí)現(xiàn)且同樣仍然滿足多種應(yīng)用需求。但是大多數(shù)現(xiàn)代PC已經(jīng)去掉了RS－232接口。

簡(jiǎn)單的串口通信方案的成本往往低于復(fù)雜的替代產(chǎn)品，如RS － 232接口成本低于 USB接口。RS － 232方案的基本組成部分包括一個(gè)UART和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)簡(jiǎn)單的握手協(xié)議，即使在資源非常有限的微控制器中也可以很容易地實(shí)現(xiàn)。而且RS – 232接口的特性使其成為一個(gè)可以勝任惡劣的工作環(huán)境的強(qiáng)壯型短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信解決方案。這樣的需求在許多工業(yè)控制或測(cè)量的實(shí)現(xiàn)中非常典型。基于這些原因， RS － 232接口依然活躍在許多應(yīng)用領(lǐng)域。

由于現(xiàn)代PC缺乏對(duì)RS － 232接口的支持， PC作為控制器的應(yīng)用對(duì)RS － 232接口的支持就顯得令人失望。而實(shí)現(xiàn)對(duì)RS － 232接口外設(shè)支持的可選擇方案似乎很少：找到一個(gè)PC其裝有提供RS － 232接口的PCI卡或重新把外圍設(shè)備設(shè)計(jì)為支持USB接口類型。用USB替換RS － 232接口需要大量的設(shè)計(jì)工作。這些影響不僅體現(xiàn)在硬件上，而且更重要的是給嵌入式軟件帶來非常巨大的變化。

現(xiàn)在還有第三個(gè)選擇可以用來在現(xiàn)代PC上支持RS － 232接口外設(shè)。此種方式較之其他方式需要較少的工程方面工作并且保持傳統(tǒng)設(shè)備的完整性和穩(wěn)定性。這種方式的好處是提供了一個(gè)USB和RS – 232接口之間的透明轉(zhuǎn)換。FTDI公司的系列芯片即可支持這種方案，這些芯片解決了使用標(biāo)準(zhǔn)UART端口來實(shí)現(xiàn)嵌入式USB支持的相關(guān)復(fù)雜性問題。該技術(shù)提供了一種支持傳統(tǒng)RS － 232接口外設(shè)的簡(jiǎn)單及低成本的解決方案。圖1顯示小型PCB如何使用FTDI芯片來提供此種解決方案。

擴(kuò)展USB連接的幾種方案比較

圖1：傳統(tǒng)RS－232 調(diào)制解調(diào)器連接到現(xiàn)代PC。

現(xiàn)在FTDI家族的第五代芯片支持USB 1．0和USB 2．0 協(xié)議（低速，全速和高速）。這些設(shè)備提供了一系列的異步和同步串行接口解決方案，包括UART接口（ RS－232／RS－422／RS－485 ）和FIFO 。除了集成在PCB級(jí)，這些芯片可用于制作PC與外設(shè)之間的USB到RS－232的接口轉(zhuǎn)換連接線。連接線內(nèi)的芯片完成所有PC與外設(shè)之間的接口轉(zhuǎn)換工作。由于USB的波特率比RS – 232的波特率高很多（6000：1），因此這些設(shè)備不僅需要提供兼容的USB接口，而且必須能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，分析和重組來滿足RS – 232協(xié)議的規(guī)范。這些都是基于FTDI所專有的IP實(shí)現(xiàn)，包括一個(gè)USB協(xié)議引擎，一個(gè)UART控制器，一個(gè)串行接口引擎及一個(gè)USB收發(fā)器。圖2所示為其中一種芯片F(xiàn)T232R的機(jī)構(gòu)框圖。

圖2：FT232R架構(gòu)框圖。

運(yùn)行在原有設(shè)備端的軟件并不需要改變，但是僅就所使用的COM端口而言，運(yùn)行在PC端的應(yīng)用程序需要知道正在使用的是USB連接而非RS － 232連接。當(dāng)一個(gè)USB到RS – 232轉(zhuǎn)換線連接到PC的 USB端口 ， PC的操作系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的COM端口。應(yīng)用程序通過這個(gè)虛擬的COM端口與USB接口進(jìn)行通信，而不需要對(duì)PC上的應(yīng)用程序進(jìn)行任何修改。應(yīng)用程序只需要知道轉(zhuǎn)接線所連接的具體的COM端口即可與之通信。外設(shè)的軟件或硬件則不需要任何修改。圖3所列的軟件代碼給出了一個(gè)例子來顯示應(yīng)用程序如何確定與之相連的COM端口，同時(shí)它還給出一些配置UART的例程代碼 。

圖3：基于VCP 驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用軟件參考代碼。

PC 上很容易實(shí)現(xiàn)USB 。絕大多數(shù)針對(duì)臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦的操作系統(tǒng)，包括Linux ，現(xiàn)在都支持USB作為其標(biāo)準(zhǔn)配置。但是在嵌入式設(shè)備中，USB接口使用仍然由其是否很容易被嵌入式設(shè)備中的微控制器支持所決定。這就意味著要在微控制器上如集成UART ， SPI和I2C接口一樣集成USB接口。這將使得微控制器變得更復(fù)雜也因此給設(shè)備集成制造商帶來成本的壓力。

然而，使用FTDI的USB接口芯片，嵌入式設(shè)備只需要使用微控制器上的UART接口與USB芯片進(jìn)行通信就可以實(shí)現(xiàn)USB接口的連接。如前所述，繁重的 USB協(xié)議由FTDI器件中所集成的專用硬件和固件來負(fù)擔(dān)。因此現(xiàn)在通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的COM端口發(fā)送一些簡(jiǎn)單的指令，任何使用微控制器的嵌入式設(shè)備可以支持輕易的支持USB 。