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扩展USB连接的几种方案比较

2020-10-07 01:40
一粒尘埃
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扩展USB连接的几种方案比较

USB(通用串行总线)是现在支持许多通用现成的外围设备,如键盘,鼠标,打印机和存储设备等的公认作为首选的连接方案。对于致力于工业和消费市场的设备制造商来说,USB也成为满足其连接至PC需求的一个优先的选择。事实上,对于任何一个使用标准的PC作为控制器设备的应用, USB接口的好处是显而易见的。虽然大批量短生命周期的通用外设可以不使用USB接口,一些有更长的生命周期的定制型应用则需要添加USB连接来解决现代 PC缺乏传统的连接接口的问题。

在这些现代PC所不支持的接口中,RS - 232串行接口是一个典型的例子,从软件的角度看,RS-232相比USB更容易实现且同样仍然满足多种应用需求。但是大多数现代PC已经去掉了RS-232接口。

简单的串口通信方案的成本往往低于复杂的替代产品,如RS - 232接口成本低于 USB接口。RS - 232方案的基本组成部分包括一个UART和一个驱动器和一个简单的握手协议,即使在资源非常有限的微控制器中也可以很容易地实现。而且RS – 232接口的特性使其成为一个可以胜任恶劣的工作环境的强壮型短距离点对点通信解决方案。这样的需求在许多工业控制或测量的实现中非常典型。基于这些原因, RS - 232接口依然活跃在许多应用领域。

由于现代PC缺乏对RS - 232接口的支持, PC作为控制器的应用对RS - 232接口的支持就显得令人失望。而实现对RS - 232接口外设支持的可选择方案似乎很少:找到一个PC其装有提供RS - 232接口的PCI卡或重新把外围设备设计为支持USB接口类型。用USB替换RS - 232接口需要大量的设计工作。这些影响不仅体现在硬件上,而且更重要的是给嵌入式软件带来非常巨大的变化。

现在还有第三个选择可以用来在现代PC上支持RS - 232接口外设。此种方式较之其他方式需要较少的工程方面工作并且保持传统设备的完整性和稳定性。这种方式的好处是提供了一个USB和RS – 232接口之间的透明转换。FTDI公司的系列芯片即可支持这种方案,这些芯片解决了使用标准UART端口来实现嵌入式USB支持的相关复杂性问题。该技术提供了一种支持传统RS - 232接口外设的简单及低成本的解决方案。图1显示小型PCB如何使用FTDI芯片来提供此种解决方案。

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图1:传统RS-232 调制解调器连接到现代PC。

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  现在FTDI家族的第五代芯片支持USB 1.0和USB 2.0 协议(低速,全速和高速)。这些设备提供了一系列的异步和同步串行接口解决方案,包括UART接口( RS-232/RS-422/RS-485 )和FIFO 。除了集成在PCB级,这些芯片可用于制作PC与外设之间的USB到RS-232的接口转换连接线。连接线内的芯片完成所有PC与外设之间的接口转换工作。由于USB的波特率比RS – 232的波特率高很多(6000:1),因此这些设备不仅需要提供兼容的USB接口,而且必须能够对数据进行缓冲,分析和重组来满足RS – 232协议的规范。这些都是基于FTDI所专有的IP实现,包括一个USB协议引擎,一个UART控制器,一个串行接口引擎及一个USB收发器。图2所示为其中一种芯片FT232R的机构框图。

图2:FT232R架构框图。

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   运行在原有设备端的软件并不需要改变,但是仅就所使用的COM端口而言,运行在PC端的应用程序需要知道正在使用的是USB连接而非RS - 232连接。当一个USB到RS – 232转换线连接到PC的 USB端口 , PC的操作系统会创建一个虚拟的COM端口。应用程序通过这个虚拟的COM端口与USB接口进行通信,而不需要对PC上的应用程序进行任何修改。应用程序只需要知道转接线所连接的具体的COM端口即可与之通信。外设的软件或硬件则不需要任何修改。图3所列的软件代码给出了一个例子来显示应用程序如何确定与之相连的COM端口,同时它还给出一些配置UART的例程代码 。

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图3:基于VCP 驱动的应用软件参考代码。

PC 上很容易实现USB 。绝大多数针对台式机或笔记本电脑的操作系统,包括Linux ,现在都支持USB作为其标准配置。但是在嵌入式设备中,USB接口使用仍然由其是否很容易被嵌入式设备中的微控制器支持所决定。这就意味着要在微控制器上如集成UART , SPI和I2C接口一样集成USB接口。这将使得微控制器变得更复杂也因此给设备集成制造商带来成本的压力。

然而,使用FTDI的USB接口芯片,嵌入式设备只需要使用微控制器上的UART接口与USB芯片进行通信就可以实现USB接口的连接。如前所述,繁重的 USB协议由FTDI器件中所集成的专用硬件和固件来负担。因此现在通过一个标准的COM端口发送一些简单的指令,任何使用微控制器的嵌入式设备可以支持轻易的支持USB 。

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