擴展USB連接的幾種方案比較

  USB（通用串行總線）是現(xiàn)在支持許多通用現(xiàn)成的外圍設(shè)備，如鍵盤，鼠標，打印機和存儲設(shè)備等的公認作為首選的連接方案。對于致力于工業(yè)和消費市場的設(shè)備制造商來說，USB也成為滿足其連接至PC需求的一個優(yōu)先的選擇。事實上，對于任何一個使用標準的PC作為控制器設(shè)備的應用， USB接口的好處是顯而易見的。雖然大批量短生命周期的通用外設(shè)可以不使用USB接口，一些有更長的生命周期的定制型應用則需要添加USB連接來解決現(xiàn)代 PC缺乏傳統(tǒng)的連接接口的問題。

  在這些現(xiàn)代PC所不支持的接口中，RS - 232串行接口是一個典型的例子，從軟件的角度看，RS-232相比USB更容易實現(xiàn)且同樣仍然滿足多種應用需求。但是大多數(shù)現(xiàn)代PC已經(jīng)去掉了RS-232接口。

  簡單的串口通信方案的成本往往低于復雜的替代產(chǎn)品，如RS - 232接口成本低于 USB接口。RS - 232方案的基本組成部分包括一個UART和一個驅(qū)動器和一個簡單的握手協(xié)議，即使在資源非常有限的微控制器中也可以很容易地實現(xiàn)。而且RS – 232接口的特性使其成為一個可以勝任惡劣的工作環(huán)境的強壯型短距離點對點通信解決方案。這樣的需求在許多工業(yè)控制或測量的實現(xiàn)中非常典型?；谶@些原因， RS - 232接口依然活躍在許多應用領(lǐng)域。

.  由于現(xiàn)代PC缺乏對RS - 232接口的支持， PC作為控制器的應用對RS - 232接口的支持就顯得令人失望。而實現(xiàn)對RS - 232接口外設(shè)支持的可選擇方案似乎很少：找到一個PC其裝有提供RS - 232接口的PCI卡或重新把外圍設(shè)備設(shè)計為支持USB接口類型。用USB替換RS - 232接口需要大量的設(shè)計工作。這些影響不僅體現(xiàn)在硬件上，而且更重要的是給嵌入式軟件帶來非常巨大的變化。

  現(xiàn)在還有第三個選擇可以用來在現(xiàn)代PC上支持RS - 232接口外設(shè)。此種方式較之其他方式需要較少的工程方面工作并且保持傳統(tǒng)設(shè)備的完整性和穩(wěn)定性。這種方式的好處是提供了一個USB和RS – 232接口之間的透明轉(zhuǎn)換。FTDI公司的系列芯片即可支持這種方案，這些芯片解決了使用標準UART端口來實現(xiàn)嵌入式USB支持的相關(guān)復雜性問題。該技術(shù)提供了一種支持傳統(tǒng)RS - 232接口外設(shè)的簡單及低成本的解決方案。圖1顯示小型PCB如何使用FTDI芯片來提供此種解決方案。

擴展USB連接的幾種方案比較
圖1：傳統(tǒng)RS-232 調(diào)制解調(diào)器連接到現(xiàn)代PC。

   現(xiàn)在FTDI家族的第五代芯片支持USB 1.0和USB 2.0 協(xié)議（低速，全速和高速）。這些設(shè)備提供了一系列的異步和同步串行接口解決方案，包括UART接口（ RS-232/RS-422/RS-485 ）和FIFO 。除了集成在PCB級，這些芯片可用于制作PC與外設(shè)之間的USB到RS-232的接口轉(zhuǎn)換連接線。連接線內(nèi)的芯片完成所有PC與外設(shè)之間的接口轉(zhuǎn)換工作。由于USB的波特率比RS – 232的波特率高很多（6000：1），因此這些設(shè)備不僅需要提供兼容的USB接口，而且必須能夠?qū)?shù)據(jù)進行緩沖，分析和重組來滿足RS – 232協(xié)議的規(guī)范。這些都是基于FTDI所專有的IP實現(xiàn)，包括一個USB協(xié)議引擎，一個UART控制器，一個串行接口引擎及一個USB收發(fā)器。圖2所示為其中一種芯片F(xiàn)T232R的機構(gòu)框圖。

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圖2：FT232R架構(gòu)框圖。

    運行在原有設(shè)備端的軟件并不需要改變，但是僅就所使用的COM端口而言，運行在PC端的應用程序需要知道正在使用的是USB連接而非RS - 232連接。當一個USB到RS – 232轉(zhuǎn)換線連接到PC的 USB端口 ， PC的操作系統(tǒng)會創(chuàng)建一個虛擬的COM端口。應用程序通過這個虛擬的COM端口與USB接口進行通信，而不需要對PC上的應用程序進行任何修改。應用程序只需要知道轉(zhuǎn)接線所連接的具體的COM端口即可與之通信。外設(shè)的軟件或硬件則不需要任何修改。圖3所列的軟件代碼給出了一個例子來顯示應用程序如何確定與之相連的COM端口，同時它還給出一些配置UART的例程代碼 。

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圖3：基于VCP 驅(qū)動的應用軟件參考代碼。

   PC 上很容易實現(xiàn)USB 。絕大多數(shù)針對臺式機或筆記本電腦的操作系統(tǒng)，包括Linux ，現(xiàn)在都支持USB作為其標準配置。但是在嵌入式設(shè)備中，USB接口使用仍然由其是否很容易被嵌入式設(shè)備中的微控制器支持所決定。這就意味著要在微控制器上如集成UART ， SPI和I2C接口一樣集成USB接口。這將使得微控制器變得更復雜也因此給設(shè)備集成制造商帶來成本的壓力。

  然而，使用FTDI的USB接口芯片，嵌入式設(shè)備只需要使用微控制器上的UART接口與USB芯片進行通信就可以實現(xiàn)USB接口的連接。如前所述，繁重的 USB協(xié)議由FTDI器件中所集成的專用硬件和固件來負擔。因此現(xiàn)在通過一個標準的COM端口發(fā)送一些簡單的指令，任何使用微控制器的嵌入式設(shè)備可以支持輕易的支持USB 。