嵌入式系统的USB虚拟串口设计

图3

AT89C5131的USB2.0全速从接口包含了7个终端点，其中0号终端点被配置成为默认的控制终端点。其他1～6号终端点都可以通过特殊寄存器配置为控制（Control），突发（Bulk），中断（Interrupt）和周期性（Isochronous）模式。由于每一个终端点都由一组独立的寄存器对该终端点进行控制、状态识别和数据的存取，则如果将这些寄存器直接映射到51单片机的特殊功能寄存器地址空间显然是容纳不下的。因此，这7个终端点的7组寄存器在单片机的地址空间中其实使用的是同一组寄存器的地址，而通过一个特殊功能寄存器（UEPNUM）来选择当前该组寄存器实际选择的是哪个终端点的寄存器组，这样就大大节省了所占用的地址空间，为集成其他特殊外设提供了可能。

4、 基于AT89C5131的CDC类的实现

AT89C5131与USB接口的硬件连接很简单，选用一个Btype的USB插座，因为按照USB规范，从设备使用Btype的USB插座，主设备使用Atype的USB插座，将Btype的USB插座的D+和D-脚分别与AT89C5131上的D+和D-脚相连。然后再在电源和D+之间用一个1.5 kΩ的上拉电阻连接，因为按照USB规范，USB主设备是通过从设备在插入时D+和D-上的绝对电平来确定从设备是一个全速设备还是一个低速设备的，而AT89C5131是一个全速设备，所以需要将D+上拉。

下面介绍虚拟串口的单片机软件设计与实现。首先来看一下终端点的分配，按照CDC类抽象控制模型对终端点的需求，将单片机0号终端点和1号终端点分配给通信接口子类，分别作为控制终端点（完成枚举和串口参数设置）和中断终端点，而将2号和3号终端点分配给数据接口子类，分别作为IN和OUT终端点，虚拟串口的数据主要从这两终端点来进行传送。

由于各个终端点的行为相对独立，对于每个终端点的控制过程又有相似性，在这里以2号终端点即作为数据接口的IN终端点为例，说明软件是如何对终端点进行操作和控制的，其控制流程图如图4所示。2号终端点是一个IN的终端点，它的主要工作是模拟物理串口的TXD线，向主设备发送数据。当主设备发出IN的请求时，如果FIFO不空，就向主设备发送FIFO的内容；如果FIFO为空，则向主设备发送一个空包作为回应。AT89C5131在收到IN的请求时，会触发USB中断（如果被使能），在中断处理程序中，如图4所示，首先判断中断的触发源是哪个终端点，如果是2号终端点，将USB寄存器组映射到2号终端点的那一组，然后将需要发送的串口数据填入FIFO寄存器（UEPDATX），置位UEPSTAX的TXRDY位，表示FIFO中的数据已经准备好，这时USB接口就会自动响应IN请求，并将FIFO中的数据发送出去，程序则可退出中断服务程序。对于其他的终端点，其处理过程也是相似的。

图4

软件使用Keil C51为编译系统，为了便于和系统的其他程序集成，采用标准字符型设备的API接口usb_getc()和usb_putc()，使程序具有很好的移植性。应用程序层函数（usb_getc()和usb_putc()）与USB中断处理程序通过两个先进先出FIFO循环队列(TX和RX)来交换数据，这样有效的起到收发缓冲的作用，防止缓冲溢出。

5、 总结

在单片机上实现基于CDC类的USB虚拟串口很好的适应了当前计算机外设接口的发展，同时因为这样的接口在PC操作系统中仍然映射为一个串口，所以又避免了大量的PC端调试程序和应用程序的重新编写。