USB转串口的应用系统设计

论文总字数：21133字

目 录

1.绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外USB转串口发展现状 1

1.3 本论文的主要内容 2

2.协议综述 3

2.1 USB简介 3

2.1.1 USB总线结构 3

2.1.2 USB的连接 4

2.1.3 USB的供电 4

2.1.4 USB系统的分层结构 5

2.1.5 USB传输速度检测 6

2.1.6 USB数据传输类型 6

2.1.7 USB事务处理 7

2.1.8 USB的描述符 7

2.2 串行通信简介 8

2.2.1 串行通信的特点 8

2.2.2 串行通信的分类 8

2.2.3 串行通信的工作模式 9

2.3 RS-232协议简介 10

2.3.1 DB-9针连接器 10

2.3.2 RS-232的电气特性 10

2.3.3 RS-232电平与TTL电平的转换 11

3.系统硬件设计 12

3.1 USB到RS-232转换器的设计原理 12

3.2 硬件选择 12

3.2.1 CH341芯片简介 12

3.2.2 MAX232芯片简介 14

3.3 电路原理图 15

3.3.1 CH341外围电路 15

3.3.2 MAX232工作电路 15

3.3.3 系统的供电 16

3.4 电路板焊接 16

3.5 硬件电路测试 17

4.Linux下设备驱动程序设计 19

4.1 usb_driver 结构体 19

4.2 usb_device_id 结构体 19

4.3 设备数据结构体 20

4.4 模块加载与卸载函数 20

4.5 驱动编译 21

4.5.1 Makefile文件 21

4.5.2 驱动编译 22

5.总结 23

致谢 24

参考文献 25

1.绪论

1.1引言

以前的外围设备都是通过RS-232、并行接口、PS/2等专用接口来与计算机通信。这些接口由美国国际商业机器公司（IBM）公司于上世纪八十年代推出，今天这些接口也渐渐暴露出诸多缺陷：

●体积庞大，不适应计算机小型化趋势。

●规范不统一，大部分是专用的，种类繁多，使用不便。

●非共享，一般只支持一个连接设备，而无法扩展，造成系统资源紧张。

●不支持热插拔，往往需要重新启动计算机，来使新的设置生效，连接麻烦。

为了解决这些缺陷，USB总线技术应运而生，并得到了迅速推广。USB是计算机和外部设备通信的新式接口，由Compaq等7家公司在1994年11月一起提出。USB技术的提出是为了取代老式计算机接口，将接口进行统一与简化，方便计算机的扩展。

对比于老式计算机接口，USB总线有如下特点：

●接口共享，通过一个USB集线器，可以连接多个设备，拓展了计算机的外部功能。

●接口小巧，符合计算机小型化发展趋势。

●即插即用、支持热插拔，连接设备时无需重启计算机使之生效，而且可在任意时刻断开与计算机的连接。

●可以向外提供5V的电压，输出电流范围为100mA~500mA。

总的来说，USB是一种小巧、快速、支持热插拔、廉价的新式接口，可同时连接多个设备。目前，越来越多的外部设备都在逐渐改为USB接口，USB技术成为了计算机接口技术变革的一个重大突破。

RS-232串口作为老式接口之一，目前仍在诸多领域中扮演重要角色，短时间内不可能将其全部改造成USB接口。因此，设计USB到RS-232串口的转换装置，利用USB总线的一系列优点，来为外部设备提供高效便利的使用环境、提高数据传输速率，具有明显的现实意义。

1.2 国内外USB转串口发展现状

实现USB到RS-232串口转换的方法有多种，USB控制器内部的通用异步收发器就能实现USB到RS-232的转换，不过需要编写程序；另一方面还可以使用专用的USB转RS-232芯片，在绝大多数情况下都是采用这种方式，这类芯片能够独立完成数据收发的协议转换，而无需用户为其写固件程序。目前市场上常见的USB转RS-232串口的专用芯片主要有以下几种：

⑴ PL2303芯片，Prolific 公司生产，芯片内置UART 、收发器、振荡器和功能控制器，符合USB规范2.0（全速兼容）。

⑵ CP2102/CP2103，美国Silicon Laboratories公司产品，符合USB2.0规范。转换器所需电路全部集成在芯片内部，不用任何分立元件就能实现接口的转换。

⑶ FTDI公司的FT232芯片，符合USB2.0规范。相比之下，该芯片的价格较高，但是性能稳定，并且驱动支持也是最好的。

⑷ 南京沁恒公司的CH340/CH341芯片，它能够实现USB总线到多种类型接口的转换，如同步串口、异步串口、并口以及打印机接口等，使用十分方便。

1.3 论文结构安排

本文共有五章，具体安排如下：

第一章：绪论。包括引言，简单介绍了USB的产生及其特点；国内外USB转串口发展现状，提及了几款专用的USB转串口芯片；本论文的结构安排介绍。

第二章：协议综述。分别对USB、串行通信、RS-232协议作了基本介绍。

第三章：系统硬件设计。分析了USB到RS-232转换装置的原理；介绍了系统所用芯片；最后完成了USB转RS-232的硬件电路设计和实物焊接。

第四章：Linux下设备驱动程序设计。基于USB骨架程序设计了CH341的USB转串口驱动程序。

第五章：总结。简要提了设计过程中遇到的问题，并说明了本设计的现实意义。

2.协议综述

2.1 USB协议简介

2.1.1 USB总线结构

USB系统通过串行连线将各种设备连接起来，呈现出星型结构，具体可分成三部分：USB主机、USB集线器、USB设备，如图1.1所示。

图1.1 USB拓扑结构

（1）USB主机

USB主机是指能够对主机与设备之间的数据传输起控制作用的设备。从某种程度上说，计算机、含USB主控芯片的设备均属于USB主机范畴。在USB系统中，USB主机在数据传输的过程中控制着所有数据与命令的传输，具有主导地位，并且在USB系统中有且仅有一个USB主机。

（2）USB设备

USB设备包括USB集线器与USB功能设备两大类。USB集线器通过向外提供额外接口来为扩展计算机的USB端口数目；USB功能设备是指有特定功能的设备，比如USB鼠标、键盘等。

①USB集线器

USB集线器作为USB系统中的经常使用的元件，主要功能是扩展计算机的USB端口，USB协议明确规定USB集线器最多可以级联5个，USB设备先连接到集线器的下行端口再由集线器的上行端口与USB主机进行连接。图1.2是USB集线器的示意图。

图1.2 USB集线器

②USB功能设备

USB功能设备是指能够实现某种特殊功能的外部设备，它扩展了主机功能，比如USB硬盘、USB键盘等。USB功能设备的内部含有描述它功能及所需资源等方面的配置信息，在使用前USB主机需要完成对它的配置操作。

2.1.2 USB的连接

USB在电缆和各种设备之间的连接头有两种：A型与B型，每种类型连接头有相互匹配的插头与插座，如图1.3所示。

图1.3 USB连接器

USB设备与USB主机之间的连接是由USB电缆实现的，USB的4根缆线具体说明见表1.1。USB接口的数据传输支持低速（1.5Mbit/s）、全速（12Mbit/s）、高速（480Mbit/s）这3种不同速率。在USB1.1标准中使用的是低速和全速模式，在之后的USB2.0标准中又增加了高速传输。USB协议还规定，全速和高速传输需要使用数据线双绞、外壳屏蔽的USB电缆；而低速传输就没有这方面的要求。

表1.1 USB引脚定义

2.1.3 USB的供电

USB总线接口可以向外提供 5V的电源，许多TTL系统也是使用 5V的电源，所以使用USB接口为系统供电可以减少电源设计，简化电路。但是因为USB接口的供电能力是有限的，所以在使用时必须要考虑USB设备的功率要求。

在USB总线系统中，USB向外提供的电压范围为4.75~5.25V，每个USB端口的数据电流最大为500mA。按照电流消耗大小不同可将USB设备分为：高功耗设备与低功耗设备。一般情况下，高功耗设备需要100~500mA的电流，低耗设备需要0~100mA的电流。如果使用USB总线供电，就必须保证整个系统的功耗在USB协议所规定的范围之内。对于功耗比较大的设备，就只能采取自供电的方式。

2.1.4 USB系统的分层结构

USB总线协议之所以能够实现对各种类型设备的支持，与其总线结构是密不可分的。USB设备通过USB端点来和主机通讯，可将USB系统分为功能层、设备层和接口层三部分，每部分具有特定的功能，如图1.4所示。

图1.4 USB系统的分层结构

①功能层

USB功能层负责数据传输操作，它除了需要USB设备的功能单元，还要在主机端编写相应的程序，在主机程序的控制下，USB主机才能与USB设备功能单元之间建立通信。

②设备层

USB设备层的任务是管理USB设备、读取设备描述符并且为它分配地址，而后USB主机就具有了USB设备的能力。USB主机会自行完成该功能的一部分，剩下的就需要通过固件程序来实现。

③接口层

主机和设备之间的数据传输是在USB接口层中完成的。USB协议规定总线接口层中的数据传输采用反向非归零编码（NRZI），USB主控制器、USB集线器在接收和发送数据时会自动对数据进行解码或编码。

2.1.5 USB传输速度检测

USB支持3种类型的传输速度，为了识别出USB设备的数据传输速率，USB在D 或D-线上增加了上拉电阻，如图1.5所示。其电阻安排如下：

①低速USB设备的D-线经过一个1.5KΩ的电阻连接到电源VCC上（ 3.0~ 3.6V）。

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