毕业设计（论文）-将USB信号转变为串口通信输出.doc

将 USB 信号转变为串口通信输 出 I 79 二二 一一 二二 届届 毕毕 业业 设设 计计 将 USB 信号转变为串口通信输出 学学 院 院 兴华学院兴华学院 专专 业 电子信息工程业 电子信息工程 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 张利川张利川 完成时间 完成时间 2012 年年 5 月月 二二 一二年五月一二年五月 将 USB 信号转变为串口通信输出 II 装 订 线 兴华学院兴华学院 二二 一一 二二 届届 毕毕 业业 设设 计计 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出信号转变为串口通信输出 学学 院 院 专专 业 业 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 完成时间 完成时间 20122012 年年 5 5 月月 二二 一二年五月一二年五月 将 USB 信号转变为串口通信输出 III 装 订 线 兴华学院兴华学院 二二 一一 二二 届届 毕毕 业业 设设 计计 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出信号转变为串口通信输出 学学 院 院 专专 业 业 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 完成时间 完成时间 20122012 年年 5 5 月月 二二 一二年五月一二年五月 将 USB 信号转变为串口通信输出 IV 装 订 线 二二 一二一二 届届 毕毕 业业 设设 计计 中英文翻译中英文翻译 学学 院 院 专专 业 业 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 完成时间 完成时间 20122012 年年 5 5 月月 将 USB 信号转变为串口通信输出 V 装 订 线 二二 一二年五月一二年五月 兴华学院兴华学院 毕业设计任务书毕业设计任务书 课题名称课题名称 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出信号转变为串口通信输出 学院学院 部部 专专 业业 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 20112011 年年 1212 月月 1919 日日 至至 20122012 年年 5 5 月月 2727 日共日共 1616 周周 指导教师指导教师 签字签字 教学院长教学院长 签字签字 将 USB 信号转变为串口通信输出 VI 装 订 线 2012 年年 12 月月 19 日日 一 设计内容一 设计内容 设计一 USB 接口电路 要求实现将 USB 信号通过标准接口转化为串行通信输 出 标准接口采用 RS 232 并且尽量简化接口管理软件的设计 在本设计中 运 用 SL8111 可编程接口芯片 用 MAX232 芯片进行电平转换 用 MCS 52 单片系列 进行存储和传输数据 本文首先介绍了串行通信及 USB 然后再介绍 USB 串行通 信协议 最后介绍 MCS 52 单片机内部结构及相关芯片和软硬件设计 采用汇编 语言进行软件设计 总体来说 分析了系统的总体结构及对接口功能的要求 阐 述了选择 USB 总线接口方案的理由 然后具体给出了以单片机为核心构成的 U 盘 板总线接口的硬件设计和软件设计 重点介绍了 USB 通信接口电路的硬件设计思 路及实现方法并对接口管理程序的设计进行了深入分析 最后对自动测试系统以 及总线技术的发展进行了展望 二 设计原始资料二 设计原始资料 USB 串口通信的研究意义及国内外发展方向 USB 串口通信的基本特性 USB 串口通信的协议原理 USB1 0 以及 USB2 0 标准 MCS 52 系列单片机功能及应用 Sl8111 芯片的原理及应用 MAX232 芯片的原理及应用 将 USB 信号转变为串口通信输出 VII 装 订 线 三 设计完成后提交的文件和图表三 设计完成后提交的文件和图表 一 计算说明书部分 一 计算说明书部分 1 USB 总线协议 协议转换和串口通信的方法 2 单片机系列的数据传输和电平转换 3 USB 串口通信初始化程序清单 协议传输清单 单片机收发数据程序清单 等 二 图表部分 二 图表部分 1 硬件整体框图 2 系统流程图 3 硬件电路图 4 实物电路图 5 实物元件清单 四 毕业设计进程安排四 毕业设计进程安排 序号序号 设计 论文 各阶段名称设计 论文 各阶段名称 日期 教学周 日期 教学周 1 学习单片机系列和协议转换的基本知识 收集 USB 串口通信文献资料 完成开题报告和英文翻译 1 2 2 阅读相关文献书籍 理清 USB 串口通信的基本原理和思路 3 7 3 深入学习和研究 采用串口调试助手软件进行测试 7 12 4 整理资料 拟写毕业设计报告 13 15 5 评审答辩 16 将 USB 信号转变为串口通信输出 VIII 装 订 线 五 主要参考资料 1 萧世文 USB2 0 硬件设计 M 北京 清华大学出版社 2003 2 孙践知 PC 硬件技术基础教程 M 北京 科技出版社 2003 3 曹卫彬等 C C 串口通信典型应用实例编程实践 M 北京 电子工 业出版社 2009 4 殷志华 郑海 杨浩 单片机与 PC 机串口通信的实现 J 中国数据通信 2004 年 01 期 5 陈再清 微机 单片机通信浅谈 电气时代期刊论文 2001 6 王绍伟 巫丹 8C951 单片机 USB 接口的设计与实现 科技创新导报 2009 7 袁新艳 计算机外设与接口技术 高等教育出版社 2009 8 董建国 戚云军 何云兰 基于 USB 总线的 PC 机与单片机的通信 道客 巴巴期刊论文 2003 9 谢其中 微型计算机常用外部设备 M 4 版 武汉 华中科技大学出版社 2005 10 张弥左 微型计算机接口技术 机械工业出版社 2004 年 8 月 11 李朝青 单片机原理与接口技术 M 简明修订版 北京 北京航空航天 大学出版 2005 将 USB 信号转变为串口通信输出 IX 装 订 线 兴华兴华学院学院 毕业设计毕业设计 论论文文 课题课题名称名称 将将 USB 信号信号转变为转变为串口通信串口通信输输出出 学院学院 部部 专专 业业 班班 级级 学生姓名学生姓名 学学 号号 20112011 年年 1212 月月 1919 日至日至 20122012 年年 5 5 月月 2727 日共日共 1616 周周 指指导导教教师师 签签字字 教学院教学院长长 签签字字 2011 年年 12 月月 19 日日 将 USB 信号转变为串口通信输出 X 装 订 线 摘 要 基于串口通讯的原理 分析和讨论了如何将 USB 信号转变为串口通信输出的 本设计选用的方案是采用 Cypress 公司通用的 USB 主控制器芯片 SL811HC 将 USB 传来的差分信号进行解析 解析成相应的数据 然后采用 MC8051 单片机系列 进行数据时序同步 最后进行电平转换后的数据通过串行通信标准接口 RS 232C 输出 PC 机 在硬件方面 本文设计了 3 个主要的模块 协议转换电路模块 数 据收发电路模块 电平转换电路模块 在软件方面 本文使用汇编语言写下了两 个模块的电路描述程序 同时利用 protues 软件进行了仿真 利用串口调试助手 软件进行系统测试 通过设计这款符合 USB2 0 规范的串行通信芯片可以同时支 持 16 个节点 支持全速和高速两种通信模式 其速率分别达到 12Mbit s 和 480Mbit s 同时该芯片还提供了功能强大的存储器接口和 WISHBONE 电路接口 实现了存储器和芯片间的互联 关键字 计算机 单片机 USB 串行通信 将 USB 信号转变为串口通信输出 XI 装 订 线 ABSTRACT Based on the principle of serial communication analyzes and discusses how the USB signal into a serial output This design program is used Cypress company general USB controller chip SL811HC USB came from the difference signal analysis parsing into a corresponding data and then the MC8051MCU series for data synchronization the final level of the converted data through the serial communication interface standard RS 232C output PC machine In the hardware aspect this paper designs3 main modules a protocol conversion circuit module data transceiver circuit module a level conversion circuit module On the software side the use of assembly language to write the two modules of the circuit description of the procedures At the same time the use of Protues software simulation using serial debugging assistant software system testing Through this design accords with USB2 0 standard serial communication chip can simultaneously support the 16 node support full speed and high speed two modes of communication its velocity reached12Mbit and 480Mbit s s At the same time the chip is also provided with powerful memory interface and WISHBONE interface circuit the realization of the memory and the chip interconnection Key words Computer MCU USB Serial communication 将 USB 信号转变为串口通信输出 XII 装 订 线 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 前言 1 1 2 USB 串口通信在国内外的发展 1 1 3 USB 串口通信发展前景与趋势 2 1 4 研究内容 方法及预期效果 3 第第 2 2 章章 USBUSB 和串口通信和串口通信 4 4 2 1 USB 简介 4 2 1 1 USB 设备 4 2 1 2 USB 的优点 5 2 1 2 USB 的传输方式 6 2 2 USB 总线协议 6 2 2 1 总线拓扑结构 7 2 2 2 USB 的物理层 7 2 2 3 USB 总线协议 8 2 3 串口通信的基础 8 2 3 1 串口通信的基本知识 8 2 3 2 串行通信工作模式 9 第第 3 3 章章 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出的硬件设计信号转变为串口通信输出的硬件设计 1010 3 1 硬件设计整体方案 10 3 2 硬件内部模块设计 11 3 2 1 协议转换电路设计 11 3 2 2 数据收发电路设计 16 3 2 3 电平转换电路设计 24 第第 4 4 章章 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出的软件设计信号转变为串口通信输出的软件设计 2525 4 1 串口通信模块的程序 25 4 2 流程图 28 将 USB 信号转变为串口通信输出 XIII 装 订 线 4 2 1 USB 将文本信号转化为差分信号流程图 28 4 2 1 USB 主控芯片 SL8111HC 协议转换流程图 29 4 2 3 单片机收发数据流程图 30 第第 5 5 章章 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出的电路仿真信号转变为串口通信输出的电路仿真 3131 5 1 各模块电路图 31 5 1 1 USB 接口电路图 31 5 1 2 协议转换电路图 31 5 1 3 数据控制电路图 32 5 1 4 数据收发电路图 33 5 1 5 电平匹配电路图 34 5 2 总体电路图 35 5 3 实物电路图 35 5 4 Demo 板卡测试步骤 35 第第 6 6 章章 结论与展望结论与展望 4141 6 1 结论 41 6 2 展望 41 参考文献 42 致谢 43 附录 44 附录一 实物制作元件清单 附录二 系统程序清单 将 USB 信号转变为串口通信输 出 共 51 页 第 1 页 第 1 章 绪 论 1 1 前言 通信是指不同的独立系统利用线路互相交换数据 它的主要目的是将数据 从一端传送到另一端 实现数据的交换 随着计算机技术尤其是单片微型机技术 的发展 人们已越来越多的采用单片机来控制USB串口通信 PC机具有强大的监 控和管理能力 而单片机则具有快速及灵和的控制特点 通过PC机的RS 232串行 接口与外部设备进行通信 是许多测控系统中常用的一种通信解决方案 而随着 USB 接口技术的成熟和使用的普及 USB 接口大有着一系列的优点 单片机同 计算机的USB 通信在实际工作中的应用范围也将越来越广 本文所介绍的将USB 信号转变为串口通信输出的方法 电路简单 兼容性好 可移植性强 传输速度 快 因此如何提高USB串口通信的速度具有非常重要的现实意义 1 2 USB 串口通信在国内外的发展 波士电子是国内著名串口通讯产品供应商 本文是通过该公司USB串口通信 产品的发展历程 反映近年来USB串口通信产品的发展史 文章开始简单回顾了 国内USB产品开发的历史 然后详细介绍了以波仕电子产品为代表的四代USB串 口通信产品的性能及特点 第一代是USB RS 232转换器 第二代是USB RS 485 RS 422转换器 第三代是光电隔离的USB RS 232 485 422通用转换器 第四 代是USB 串口光纤转换器 最后文章对USB虚拟的串口与传统串口的差别进行了 评论 第一代是USB RS 232转换器 第二代是USB RS 485 RS 422转换器 第三 代是光电隔离的USB RS 232 485 422通用转换器 第四代是USB 串口光纤转换器 目 前计算机的USB接口已经大量使用 一般每台计算机都有2到4个USB口 USB口 已经开始逐步取代传统的PS 2鼠标口 PS 2键盘口 CENTRONICS打印口 RS 232串口等 USB将是未来重要的PC机工业通信接口之一 用于实现工业通信以 及存储 编程等 在USB技术逐步普及于工业通信的今天 本文回顾USB工业通 信产品的发展过程 先回顾我国USB产品的开发成就 我们不得不提到著名的深圳朗科公司 是他首 次提出了 优盘 的名称 是他取得了全球领先的USB外部存储装置的专利知识 产权 并且据说后来以此专利起诉打败了著名的日本SONY公司 尽管在朗科的 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 2 页 装 订 线 U盘出现之前国内已经有IBM随电脑一道赠送的 IBM存储钥匙 其实就是U盘 但是象IBM这样连微硬盘部门都出售给日立公司的蓝色巨人是看不上这小小的存 储钥匙 storage key 的 这样的失误虽然远远轻于请MICROSOFT公司为IBM PC写DOS操作系统 但是也成就了一个中国的朗科以及后来国内的整个U盘市场 尽管今天的朗科还远远没有达到MICROSOFT的规模 当时早期的科U盘采用的 是PHILIPS公司的PDIUSB12的USB接口芯片加三星的FLASH存储器 朗科当时还 出售PDIUSB12的开发系统可用于开发U盘等产品 不到一年后 同样在深圳的另 外一家公司鲁文公司开发出了号称是全球第一个无须驱动程序的U盘 取名为 易盘 可以在Windows me下无须驱动程序 因为无驱才会有后来的巨大的市 场 虽然以上是国内USB产品开发历程的简单回顾并不是USB串口通信领域产 品的回顾 但是正是因为中国人开发U盘技术让我国在世界计算机外设方面占了 一席之地的成就鼓舞了后来国人在USB串口通信领域的产品开发 也正是当时朗 科出售的USB开发系统带动波仕电子开始了USB串口通信产品的开发 况且工业 通信和工业测量控制领域都是国人的传统强项 始终是国货占据绝大部分市场 1 3 USB串口通信发展前景与趋势 随着计算机技术的飞速发展 用 USB 串口转换器的虚拟串口代替传统的 RS 232 RS 485 RS 422 口是必然的发展趋势 就象 PCI 总线代替 ISA 总线 Windows 代替 DOS 一样 尽管后者都更加适合工业通信和工业测控 Windows 操 作系统从来不是优先考虑工业通信和工业测控的实时性要求 反而越来越抛弃工 业通信和工业测控 只有 CPU 总线等硬件速度的改进使延时减小从而接近实时 性 由于通过虚拟 I O 操作代替物理的固定 I O 读写是解决 Windows 可靠性的一 条基本原则 所以用户越来越远离 Windows 内核的操作 事实上 从 Windows XP 开始就没有了直接 I O 读写指令 甚至 Windows 98 的直接 I O 读写也是通过将 DOS 的 I O 读写指令编辑成为动态连接库然后来调用的 Windows XP 下的直接 I O 读写也是通用动态连接库的调用来实现 不过更加复杂 可参见波仕电子网 站的软件 另外减少 USB 虚拟串口对 RTS CTS DTR DSR 这些握手信号的虚拟操 作的延时也是一个技术难点 这主要是由 USB 串口转换器内部 UART 的信号初始 化处理延时导致的 避免频繁使用最好不要使用这些握手信号是较好的解决方法 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 3 页 装 订 线 波仕电子所有产品的 RS 485 接口均使用了零延时自动收发转换技术 这就保证 转换过程中不需要任何握手信号来控制收与发的切换本设计本设计选用的方案是 采用 Cypress 公司通用的 USB 主控制器芯片 SL811HC 将 USB 传来的差分信号进 行解析 解析成相应的数据 然后采用 MC8051 单片机系列进行数据时序同步 最后进行电平转换后的数据通过串行通信标准接口 RS 232C 输出 PC 机 及利用 AT89C51 系列高速单片机本身强大的功能 可以很方便的实现单片机的数据传输 及存储 并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化 所以本设计提高 USB 串 行通信方面具有很强的现实应用性 1 4 研究内容 方法及预期效果 本设计选用的方案是采用 Cypress 公司通用的 USB 主控制器芯片 SL811HC 将 USB 传来的差分信号进行解析 解析成相应的数据 然后采用 MC8051 单片机 系列进行数据时序同步 最后进行电平转换后的数据通过串行通信标准接口 RS 232C 输出 PC 机 使用 AT89C51 系列高速单片机作为数据传输主控制模块 利用 AT89C51 系列高速单片机本身强大的功能 可以很方便的实现单片机的数据传输 及存储 本设计在提高 USB 串行通信方面具有很强的现实应用性 整个设计中以 USB 主控制器芯片 SL811HC 和单片机 AT89C51 为核心 通过单 片机 AT89C51 控制行锁存器 74LS373 和两个驱动器 74LS245 来控制主控制器芯 片 SL811HC 进行的协议转换和命令传送 利用 MAX232 进行电平匹配 实现电平转 换 利用串口调试助手软件进行测试 USB 信号转化的准确性 文中详细介绍了 将 USB 信号转变为串口通信输出的硬件设计思路 硬件电路各个部分的功能及原 理 相应软件的程序设计 以及使用说明等 单片机控制系统程序采用单片机汇编语言进行编辑 通过编程控制数据和命 令的传输 各显示点对应 LED 阳极和阴极端的电平 就可以有效的看到 LED 的 亮灭 从而判断 USB 工作状态 经实践证明 经实践证明 该系统传输误差小 性能稳定 结构合理 扩展能 力强 传输速度快 该通讯方式具有数据自动同步 程序设计简单 较好的交互 性和可控性等优点 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 4 页 装 订 线 第 2 章 USB 和串口通信 2 1 USB 简介 USB Universal Serial Bus 通用串行总线 是以 Intel 为主 并有 Compaq Microsoft IBM DEC Northern Telecom 以及日本 NEC 等共七家公司共同制定的串 行接口标准 1994 年 11 月制定了第一个草案 1996 年 2 月公布了 USB 规范版 本 1 0 USB 可把多达 127 个外设同时联到你的系统上 所有的外设通过协议来 共享 USB 的带宽 其 12Mbps 的带宽对于键盘 鼠标等低中速外设是完全足够的 注在 1999 年 2 月发布的 USB 规范版本 2 0 草案中 已建议将 12Mbps 的带宽 提升到 120 240Mbps USB 允许外设在主机和其它外设工作时进行连接 配置 使用及移除 即所谓的即插即用 Plug 接收 DIR 1 信号由 A 向 B 传输 发送 当 CE 为高电平时 A B 均为高阻 态 三 SA1117 稳压器电路图 1 概述 SA1117是一款正电压输出的低压降三端线性稳压电路 SA1117是一个低漏失电压调整器 它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管 组成的 漏失电压定义为 VDROP VBE VSAT 2 SA1117 3 3 2 引脚图 管脚描述 管脚号管脚名称 I O 功能 1 GND ADJ O 地 ADJ 2 VOUT O 输出电压 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 18 页 装 订 线 3 VIN I 输入工作电压 图3 4 SA1117 3 3 引脚图 3 2 2 数据收发电路设计 数据收发电路模块主要由MC8051单片机和存储锁存电路构成 主要功能是向 SL8111HC发送命令及将存储在62256中的数据实时的传输给MAX232 一 单片机的基本结构介绍 单片机采用 AT89C51 或其兼容系列的芯片进行控制 它负责控制整个电路以 及相应的程序的运行 以及给屏体电路部分发送命令 这里我们选择了内含 4K 字 节 Flash 的 AT89C51 因为我们只需要显示特定的图形和文字 无需庞大的字库 因此 4K Flash 已经可以满足字库储存的需求 不需要扩展外存储器 AT89C51 包含以下一些功能部件 1 一个 8 位 CPU 2 一个片内振荡器和时钟电路 3 4KB Flash ROM 4 128B 内 RAM 5 可寻址 64KB 的外 ROM 和外 RAM 控制电路 6 两个 16 位定时 计数器 7 21 个特殊功能寄存器 8 4 个 8 位并行 I O 口 9 一个可编程全双工串行口 10 5 个中断源 可设置成 2 个优先级 AT89C51 单片机一般采用双列直插 DIP 封装 共 40 个引脚 图 5 1 为其引脚 排列图 40 个引脚大致可分为 4 类 电源 时钟 控制各 I O 引脚 1 MCS 51 单片机的内部组成 A1 89C51 单片机是美国 Atmel 公司生产低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 EPROM 和 128 bytes 的随机 存取数据存储器 RAM 器件采用 Atmel 公司的高密度 非易失性存取技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储 单元 功能强大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合 可灵活应 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 19 页 装 订 线 用于各种控制领域 MCS 51 单片机是在一块芯片中集成了 CPU RAM ROM 定时器 计数 器 和多种功能的 I O 线等一台计算机所需要的基本功能部件 MCS 51 单片机内包 含下列几个部件 MCS 51 系列单片机的典型芯片是 89C51 所以以 89C51 为例来介绍 MCS 51 系列单片机 8 位的 CPU 片内有振荡器和时钟电路 工作频率 为 1 12MHz Atmel 89Cxx 为 0 24MHz 片内有 128 256 字节 RAM 片内有 OK 4K 8K 字节程序存储器 ROM 可寻址片外 64K 字节数据存储器 RAM 可寻址片外 64K 字节程序存储器 ROM 片内 21 26 个特殊功能寄存器 SFR 4 个 8 位的井行 I O 口 PlO 1 个全双工串行口 SIOf UART 2 3 个 16 位定时器厂汁数器 TIMER COUNTER 可处理 5 6 个中断源 两级中断优先级 内置 1 个布尔处理器和 1 个布尔累加器 Cy MCS 51 指令集含 111 条指令 31 40 个引脚大致可分为 4 类 电源 时钟 控制各 I O 引脚 一电源 Vcc 芯片电源 接 5V GND 接地端 二 时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 三 控制线 控制线共有 4 根 其中 3 根是复用线 所谓复用线是指具有两种功能 正常 使用时是一种功能 在某种条件下是另一种功能 1 ALE 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 PROG 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 20 页 装 订 线 1 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低八位地址 AT89C51 在并行扩展外存储器时 P0 口用于分时传送低 8 位地址和数据信号 且均为二进制数 当 ALE 信号有效时 P0 口传送的是低 8 位地址信号 ALE 信号 无效时 P0 口传送的是低 8 位地址信号 在 ALE 信号的下降沿 锁定 P0 口传送 的内容 即低 8 位地址信号 2 功能 片内 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚输入编程PROG 脉冲 2 外 ROM 读选通信号 PSEN 89C51 读外 ROM 时 每个机器周期内两次有效输出 可作为外PSENPSEN ROM 芯片输出允许的选通信号 在读内 ROM 或读外 RAM 时 无效 OEPSEN 3 RST VPD 复位 备用电源 1 正常工作时 RST 端为复位信号输入端 只要在该引脚上连续保持两个 机器周期以上高电平 AT89C51 芯片即实现复位操作 复位后一切从头开始 CPU 从 0000H 开始执行指令 2 VPD功能 在 VCC掉电情况下 该引脚可接上备用电源 由 VPD向片内 RAM 供电 以保持片内 RAM 中的数据不丢失 4 输入输出引脚 1 P0 端口 P0 0 P0 7 P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I O 端口 端口置 1 对端口写 1 时作高阻抗输入端 作为输出口时能驱动 8 个 TTL 对内部 Flash 程序存储器编程时 接收指令字节 校验程序时输出指令字节 要求外接上拉电阻 在访问外部程序和外部数据存储器时 P0 口是分时转换的地址 低 8 位 数 据总线 访问期间内部的上拉电阻起作用 2 P1 端口 P1 0 P1 7 P1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I 0 端口 输出时可驱动 4 个 TTL 端口置 1 时 内部上拉电阻将端口拉到高电平 作输入 用 对内部 Flash 程序存储器编程时 接收低 8 位地址信息 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 21 页 装 订 线 3 P2 端口 P2 0 P2 7 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I 0 端口 输出时可驱动 4 个 TTL 端口置 1 时 内部上拉电阻将端口拉到高电平 作输入 用 对内部 Flash 程序存储器编程时 接收高 8 位地址和控制信息 在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址 而在访 问 8 位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变 4 P3 端口 P3 0 P3 7 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I 0 端口 输出时可驱动 4 个 TTL 端口置 1 时 内部上拉电阻将端口拉到高电平 作输入 用 对内部 Flash 程序存储器编程时 接控制信息 除此之外 P3 端口还用于一 些专门功能 具体请看下表 P3 引脚兼用功能 P3 0 串行通讯输入 RXD P3 1 串行通讯输出 TXD P3 2 外部中断 0 INT0 P3 3 外部中断 1 INT1 P3 4 定时器 0 输入 T0 P3 5 定时器 1 输入 T1 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器写选通 RD 图 3 5 P3 端口引脚兼用功能表 2 MCS 51 单片机引脚及功能 共 40 条引脚 分为端口 控制 电源三类 1 端口线 4 个 8 位端口共 32 条引脚 用于传输数据 地址 控制 状态 等信息 PO 口 PO O P0 7 多功能端口 用于传输数据 地址 PO 口在传输数据信息 时 输入带缓冲 输出带锁存 使用非常方便 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 22 页 装 订 线 Pl 口 P1 O P1 7 单功能端口 用于数据输入 输出传输 P3 口 P3 O P3 7 多功能端口 用于传输控制信息或作为普通 I O 端口 传 输控制信息时 P3 0 RXD 串口输入 P3 1 TXD 串口数出 P3 2 INTO 外部中断 0 输入 P3 3 INT1 外部中断 l 输入 P3 4 TO 计数器 0 输入 P3 5 Tl 计数器 1 输入 P3 6 WR 写 控制信号线 P3 7 RD 读 控制信号线 2 电源线 共 2 条 VCC VSS GND 3 控制线 共 6 条 传送控制信号 ALE 地址锁存 用于区分在多功能端口传送的数据 地址信息 ALE O 1 数据 地址 EA 允许访问外程序存储器 EA O l 片外 片内存储器有效 PSEN 片外 ROM 选通 RST 芯片复位线 XTAL1 XTAL2 外接石英晶体输入线 图 3 6 为 89C51 单片机的引脚图 3 单片机系统外围电路 单片机系统外围电路形式如图所示 单片机振荡器反相放大器的输入端 XTAL1 和输出端 XTAL2 之间接上 12MHz 或更高频率的晶振 以获得较高的 刷新频率 使显示更稳定 电容 C4 C5 是晶振的负载电容 主要起频率微调和稳 定的作用 单片机的串行口工作在方式 0 下 作为同步移位寄存器使用 端口 RXD P3 0 作为数据移位的输入 输出端 而由 TXD P3 1 端输出移位时钟脉 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 23 页 装 订 线 冲 移位数据的发送和接收均以 8 位为一帧 不设起始位和停止位 无论输入 输 出 均低位在前高位在后 89C51 的通用 I O 口 P1 作为显示数据和二进制行号的 公用输出口 两种数据的输出在时间上是错开的 P1 口的低 4 位与行驱动器相连 送出二进制的行选信号 P1 5 P1 7 口则用来发送控制信号 P0 和 P2 口空着 在有必要的时候可以扩展系统的 ROM 和 RAM 1 时钟电路 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以 配置 为片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 因为一个机器周期含有 6 个状态周期 而每个状态周期为 2 个振荡周期 所 以一个机器周期共有 12 个振荡周期 如果外接石英晶体振荡器的振荡频率 为 12MHZ 一个振荡周期为 l 12us 故而一个机器周期为 lus 图 3 7 时钟电路图 2 复位电路 复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位 单片机在时钟电路工作 以后 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作 例 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 24 页 装 订 线 如使用晶振频率为 12MH 时 则复位信号持续时间应不小于 2us 本设计采 用 的是外部手动按键复位电路 图 3 8 为复位电路 二 74LS373芯片简介 74ls373是常用的地址锁存器芯片 它实质是一个是带三态缓冲输出的8D 触 发器 在单片机系统中为了扩展外部存储器 通常需要一块74ls373芯片 图 3 9 74LS373 的引脚图 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 25 页 装 订 线 L 低电平 H 高电平 X 不定态 Q0 建立稳态前 Q 的电平 G 输入端 与 8031ALE 连高电平 畅通无阻低电平 关门锁存 图中 OE 使能端 接地 当 G 1 时 74LS373 输出端 1Q 8Q 与输入端 1D 8D 相同 当 G 为下降沿时 将输入数据锁存 当 74LS373 用作地址锁存器时 应使 OE 为低电平 此时锁存使能端 C 为 高电平时 输出 Q0 Q7 状态与输入端 D1 D7 状态相同 当 C 发生负的跳变时 输入端 D0 D7 数据锁入 Q0 Q7 51 单片机的 ALE 信号可以直接与 74LS373 的 C 连接 在 MCS 51 单片机系统中 常采用 74LS373 作为地址锁存器使用 其连接方法如上图所示 其中输入端 1D 8D 接至单片机的 P0 口 输出端提供的 是低 8 位地址 G 端接至单片机的地址锁存允许信号 ALE 输出允许端 OE 接地 表示输出三态门一直打开 1D 8D 为 8 个输入端 1Q 8Q 为 8 个输出端 G 是数据锁存控制端 当 G 1 时 锁存器输出端同输入端 当 G 由 1 变为 0 时 数据输入锁存器中 OE 为输出允许端 当 OE 0 时 三态门打开 当 OE 1 时 三态门关闭 输出呈高阻状态 三 62256 芯片简介 62256 是 32K 的低功耗静态 RAM 存储器 用 P0 和 P2 来扩展外部 ram 就是 用 P0 和 P2 与 62256 对应的管脚相连接 假设 P2 7 接 WR P2 6 接 RD P2 5 接 CS 那么就可以确定 个外部 RAM 的一个地址 想往外部 RAM 的一个地址写一 个字节时 地址可以定为 XBYTE 0 x4000 其中 WR CS 为低 RD 为高 那就是 高位的 4 0100 也就是 P2 7 和 P2 5 输出了低电平 而 P2 6 输出了高电平 目 的当然是要选通 62256 并且向 62256 写入数据 1 62256 芯片管脚图 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 26 页 装 订 线 图 3 10 62256 的引脚图 2 62256 引脚功能 A0 A14 地址总线 Address D0 D7 输入 输出口 nput output CS 端口选择 Chip select WE 输入始能 Write enable OE 输出始能 Output enable VCC 电源始能 Power supply VSS 接地 Ground 3 2 33 2 3 电平转换电路设计电平转换电路设计 电平转换电路有MAX232和串行通信接口标准RS 232C构成 MAX232是用来进 行电平匹配的 单片机的输出电压表示数据逻辑值和PC机所接受的电压表示数据 逻辑值不相同 为了使它们之间有在不同的电压范围内表达想要的相同逻辑值 则就进行电平转换 采用MAX232芯片进行电平转换 然后将转化后的信号通过串 行通信接口串行通信接口标准RS 232C输出到PC机 一 MAX232芯片简介 MAX232芯片是美信公司专门为电脑的 RS 232标准串口设计的单电源电平转换 芯片 使用 5v 单电源供电 1 MAX232 芯片引脚图 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 27 页 装 订 线 图 3 11 MAX232 芯片的引脚图 2 MAX232原理图 图 3 12 MAX232 芯片的原理图 3 MAX232 芯片引脚介绍 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 28 页 装 订 线 第一部分是电荷泵电路 由 1 2 3 4 5 6 脚和 4 只电容构成 功能是产生 12v 和 12v 两个电源 提供给 RS 232 串口电平的需要 第二部分是数据 转换通道 由 7 8 9 10 11 12 13 14 脚构成两个数据通道 其中 13 脚 R1IN 12 脚 R1OUT 11 脚 T1IN 14 脚 T1OUT 为第一数据通 道 8 脚 R2IN 9 脚 R2OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为第二 数据通道 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到电脑 DB9 插头 DB9 插头的 RS 232 数据从 R1IN R2IN 输入转换成 TTL CMOS 数据后从 R1OUT R2OUT 输出 第三部分是供电 15 脚 GND 16 脚 VCC 5v 二 串口通信接口设计 在设计硬件接口电路时 应充分考虑到电路的电气特性 逻辑电平以及驱动 能力的匹配问题 若匹配得不好 将会导致通信失败 1 PC 机串行通信接口标准 RS 232C PC 机上均带有标准的 RS 232C 接口 RS 232C 是由美国电子工业协会 Electronic IndustryAssociation 于 1969 年正式公布的在异步串行通信中应用 最为广泛的标准总线接口 它的全称是 数据终端设备 DTE 和数据通信设备 DCE 之间的串行二进制数据交换接口技术标准 0 适合于短距离通信或带调制 解调器的通信应用场合 2 RS 232C 的接口信号 RS 232C 采用负逻辑 用 5 15V 表示逻辑 l0 用 5 15V 表示 逻辑 00 噪声容限为 2V 即要求接收器能识别低至 3V 的信号作为逻辑 00 高到 3V 的信号作为逻辑 10 RS 232C 只能进行一对一的通信 RS 232C 可使用 9 针或 25 针的 D 型连接器 列出了 9 针 RS 232C 接口各引脚信号的定 义 RS232 DB9 1 DCD 载波检测 2 RXD 接收数据 3 TXD 发送数据 4 DTR 数据终端准备好 5 SG 信号地 6 DSR 数据准备好 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 29 页 装 订 线 7 RTS 请求发送 8 CTS 清除发送 9 RI 振铃提示 3 RS 232 的不足 由于 RS232 接口标准出现较早 难免有不足之处 主要有以下四点 1 接口的信号电平值较高 易损坏接口电路的芯片 又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL 电路连接 2 传输速率较低 在异步传输时 波特率 20Kbps 3 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式 这 种共地传输容易产生共模干扰 所以抗噪 计算机 更准确的说 是 计算机接 口 与终端或外设之间的近端连接标准 显然 这个标准的有些规定及和计算 机系统是不一致的 甚至是相矛盾的 有了对这种背景的了解 我们对RS 232C 标准与计算机不兼容的地方就不难理解了 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 30 页 装 订 线 第第 4 4 章章 将将 USBUSB 信号转变为串口通信输出的软件设计信号转变为串口通信输出的软件设计 在单片机系统中 硬件是系统的基础 软件则是在硬件的基础上对其合理的 调配和使用 从而完成应用系统所要完成的任务 软件的设计是设计控制系统的 应用程序 其任务是在总体设计和硬件设计的基础上 确定程序结构 分配内 RAM 资源 划分功能模块 然后进行主程序和各模块程序的设计 最后连接起来 成为一个完整的应用程序 在进行系统总体设计时 曾经规划过软件结构 但由于硬件系统尚未仔细确 定 软件结构框图十分粗糙 当硬件设计接口扩展及各功能模块与CPU连接关系 确定后 就能够具体明确对软件设计的要求 本设计的LED显示屏软件的主要功 能是向屏体提供显示数据 并产生各种控制信号 使屏幕按设计的要求显示 根 据软件分层次设计的原理 可把USB的软件系统分成两大层 第一层是单片机的 通信程序 第二层是PC机的通信程序 单片机的程序负责向主控芯片SL8111HC发 送命令和接受来SL8111HC转换后的相应的数据 并且将数据传输给电平匹配芯片 MAX232 使之进行电平转换 PC机的通信程序由定时器T0中断程序实现 系统应 用程序完成系统环境设置 初始化 显示效果处理等工作 由主程序来实现 从有利于实现语言的直观 易于记忆和检查 可读性较好和使语言程序占用 较少的单片机存储空间 实时处理系统可以快速的执行指令的角度考虑 本设计 中显示屏程序采用汇编语言编写 4 1 串口通信模块的程序 关于通信程序设计 本文只举一个简单的例子 PC 机从键盘上输入一个字符 然后将这个字符发送给 USB USB 又传送给单片机 单片机接收到这个字符后 不 做任何处理 又将它发送给 USB USB 又传送给 PC 机 PC 机将这个字符显示在 屏幕上 如果显示的字符与输入的字符一致 则表明 PC 机与单片机通过 USB 通 信正常 在设计 PC 机与单片机通信程序时 应首先明确数据传输协议 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 31 页 装 订 线 该通讯方式具有数据自动同步 程序设计简单 较好的交互性和可控性等优点 计算机定时以此方式顺次访问各通道 获取各通道采集到的数据 为了实现通信 双方约定如下 波特率 2400bit s 帧格式 10 位为一帧 包括 1 个起始位 8 个数据位和 1 个停止位 传送方式 PC 机采用查询方式收发数据 单片机采用中断方式收发数据 4 2 系统流程图 4 2 1 USB 将文本信号转化为差分信号流程图 USB 的主控芯片 SL8111HC 将单片机传来的命令转化为差分信号 然后传给 USB USB 把目录文件相应的处理 转变为差分信号输出到控芯片 SL8111HC 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页 第 32 页 装 订 线 向模块写入命令码以及后续参数长度 模块启动操作 操作是否完毕 操作是否成功 读取结果数据 有后续命令 向模块写入无效命令结束 U 操作 判断 U 盘接入 N N Y Y Y Y 图 4 1 USB 将文本信号转化为差分信号流程图 4 2 2 USB 主控芯片 SL8111HC 协议转换流程图 单片机发出命令传给 USB USB 把相应的文件目录进行处理变成差分信号 USB 主控芯片 SL8111HC 把 USB 处理的差分信号通过一定的处理转变为串口通信输 出 如下图 将 USB 信号转变为串口通信输出 总 51 页