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2.2 串行通信的概念
所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能
还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。典型的串行接口的结构 如图2.1所示
图2.1 串行接口的结构
串行通信协议具有统一标准，主要包括通信控制规程和传输控制规程，是对通信双方的一种约定。对涉及数据传输链路层的数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等各方面做出的统一规范。目前采用的通信协议主要分为异步传输协议和同步传输协议两类。·
RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。
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第三章 系统的总规划
本章将先分析系统设计要求，再分析方案的选择。
3.1 系统设计要求
本系统要实现2种功能。第一：实现USB主机功能，系统的USB HOST口接U盘或者USB口的移动硬盘，系统的RS232接口接RS232设备(如PC上的RS232口)，实现RS232设备和USB设备的数据通信[18]。用户能够通过本系统将RS232端的数据以文件的形式存储到移动存储器中，如U盘、移动硬盘等；也可以将U盘中的资料通过RS232接口读出来。其功能如图3．3所示。第二：实现USB设备功能，系统的USBSLAVE口接USB主机(如PC上的USB口)，RS232接口接RS232设备。实现传统意义上的RS232到USB口的转换。用户可以将RS232设备当作成普通USB设备进行操作。其功能如图3．4所示。
具体设计考虑的要素有：
1、良好的兼容性；
模块要完全遵守USBl．1协议，使之具有良好的兼容性，全面兼容大部分遵守USB规范的移动存储器(包括基于FLASH的，基于SmartMedia等的移动存储器和USB接口的移动硬盘等)。
2、实现USB主机和设备功能．
当模块作为USB主机时，要保证其完全实现USB主机功能。包括实现设备的总线枚举和实现大容量存储协议等。模块作为设备使用时，能够完成主机的传输请求。 3、实现USB/RS232/485的接口转换
本系统主要是完成USB—RS232接口的转换，因此要实现模块作为USB主机和作为USB设备2种模式下的USB协议到RS232协议的转换。 4、要方便用户扩展
系统要留有用户接口，如数据VI、读写控制线、芯片选通线等，方便用户扩展 5、低功耗要求
模块在保证驱动能力的情况下要尽量减少功耗以节省能源 6、成本要求
在保证功能的情况下，尽可能降低成本。
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3.2 方案的选择
目前USB主机系统的方案主要有以下几种： l、传统的USB接口转换芯片
通过采用USB接口转换芯片，如CYGNAL公司的CP2101等，实现传统接1：3与USB接口的转换，但是这需要利用微处理器开发针对所用接口的相应驱动程序和所要支持的类协议，由专用USB控制芯片转换为相应的USB接口的驱动程序，从而驱动相应的USB嵌入式设备，实现USB主机功能[19]。这样的方案严格意义上说并不是USB主机系统，在传输速度以及拓扑结构等方面，根本无法发挥USB的诸多特点，本质上还是传统的总线接口。 2、利用集成USB模块的微处理器
此种方案的主要优点是嵌入式系统的硬件和软件设计的可靠性得到保证，实现底层协议栈，应用系统设计工程师只需考虑具体应用需求，完成特定的功能。但缺点是成本比较高，适用于高端应用。 3、利用单片机+USB主机控制器
这种实现的方案，可选用多种型号的微控制器来实现协议栈，并可根据具体要求选用不同速度的单片机作为核心芯片，基本硬件结构大致相同。只是应当考虑到单片机速度是否足够快和内存是否足够大，要想一些办法对协议栈及其设备类协议进行简化和保持最基本的东西，即嵌入式系统加上USB协议栈及其设备类协议转变为具体的系统。该方案的优点，一是不依赖PC机，利用单片机系统直接实现主机，整个系统完全自给自足；二是外围器件可以灵活配置，需要什么可以在基本配置上加上相应的模块就可以了。
结合系统设计要求及当前最新的USB．OTG协议和未来USB的发展趋势，本文采用第三种方案，即单片机+USB主机控制器芯片的方案[20]。
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第四章 系统的硬件实现
一个独立的单片机系统的设计，需要从电路搭建到软件规划的点滴做起，每一部分电路的设计都很有可能直接影响到软件的程序设计。硬件是整个系统的基础，软件是硬件功能的体现，二者相辅相成。本章将要涉及到方案的选择和由选择决定的系统模块规划，然后会详细讲解基于USB主机的USB．RS232/485接口转换器的基础一一硬件设计[23]。
4.1 PC机上的USB主机系统结构
USB主机系统总体分为硬件和软件两部分。硬件主要完成物理上的接口和实体功能；软件则管理硬件，实现数据传输和各项功能。根据PC体系上的USB主机系统和USB主机协议，总结得出USB主机系统都可以分为3个层次：USB总线接口、USB系统层和USB用户层。其结构图如图4-1所示：
图4.1 USB主机系统结构
USB总线接口层(USB Bus Interface)主要是指以主机控制器为核心的硬件部分，一般是由USB主控制器芯片，USB HUB控制器芯片，USB端口连接硬件及控制器外围电路等组成。USB主控制器芯片提供USB的收发物理层，实现USB电缆上差模信号与数字信号的转换并提供端点的物理存储机制，还能根据USB的传输机制，自动管理各个端点存储自和数据交换。此外，USB主控制器还需提供与外围控制CPU的接口电路，通过并行或串行
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的方式连接到CPU的总线上，从而建立与CPU的通信。在基于P C的系统中，USB主控制器是通过PCI总线和CPU进行通信的。一般的USB主控制芯片本身就集成了根HUB，并直接以D+和D．两根引脚的方式提供端口连接点。
USB系统层(USB System)是USB主机软件。USB核心驱动程序和USB主控制器功能驱动程序组成。USB核心驱动程序，是整个软件体系的核心部分，也起到了一个中间桥梁的作用，在PC中，它被捆绑到操作系统中，解释USB设备类驱动程序发来的命令并将其划分为一系列的USB事务，然后发送给USB主机控制器以驱动程序。这里，USB核心驱动程序不与USB主控制器硬件直接打交道，而是通过USB主机控制驱动程序这个媒介来与USB主控制器硬件进行通信。USB主控制器驱动程序就负责最底层的驱动任务，控制和管理硬件底层，负责将USB事务发送给USB主控制器芯片，并将串行数据发送到电缆上。
USB用户层(USB User)也是基于软件层次的USB主机的组成部分，包括USB 设备类驱动程序和用户软件(用户软件是可选的)。
综合以上，整个USB的驱动程序分为三个层次，分别是USB设备类驱动程序，USB核心驱动程序和USB主控制器功能驱动程序。USB设备类驱动程序，也叫做用户驱动程序，它把用户要求的USB命令发送给USB的主控制器硬件，同时初始化内存缓冲区，用于存储所有USB通信中的数据。每一种USB类设备都需要设计相应的设备类驱动程序。目前，Windows操作系统对于HID类和Mass Storage类设备的支持比较完备，直接提供了设备类驱动程序。而对大部分的USB设备类，用户厂商还需自己开发类驱动程序。
4.2 USB转串口硬件设备的设计
① AVR-CDC转换器的设计
AVR 单片机是高性能的8位RISC架构的AVR单片机，使用单片机的IO口来模拟USB的通信端口，由软件来实现USB通信协议，将普通的AVR单片机模拟成一个USB低速设备，从而实现AVR单片机与计算机之间的通信和控制，这就是AVRUSB技术，因为低速USB设备的速度是1.5M位/秒，而AVR单片机是单指令周期的，在单片机使用12MHz的时钟频率时，正好是1.5MHz的8倍。也就是说，单片机每8条指令就精确完成一个数据位的采集。采用这种方法时，只要严格控制单片机的时序，实现USB是有可能的。
AVRCDC技术的基本原理就是利用AVR单片机端口来模拟USB的硬件端口进行通信实USB接口后，再与AVR单片机自带的串口相结合，即可实现USB转串口的通信。
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