USB接口由于其方便靈活、獨(dú)立供電的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中。采用TI公司的第二代SOC芯片CC2531,實(shí)現(xiàn)了基于USB接口的虛擬串口通信，并以溫度監(jiān)測系統(tǒng)將其引入到實(shí)際工程中來。

1  CDC類簡介

在USB的文件中，定義了將某種相同屬性的設(shè)備整合在一起的群體，稱之為類。這樣做可以同時開發(fā)該類的驅(qū)動程序，提高了驅(qū)動程序的復(fù)用性。CDC類是通信設(shè)備類的簡稱，是專為各種通信設(shè)備定義的子類。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，CDC類可以分成以下不同的模型：POST（傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)）模型、ISDN模型和Networking（網(wǎng)絡(luò)）模型。其中，POST模型又可以分為DL（直接線控制）模型、AC（抽象控制）模型、Datapump（數(shù)據(jù)泵）模型、T（電話）模型。CDC類的結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文的USB接口開發(fā)就屬于POST模型下的AC模型。

圖1  CDC類結(jié)構(gòu)圖

此外，CDC又由Communication Interface Class（通信接口類）和Data Interface Class（數(shù)據(jù)接口類）組成。通信接口類主要負(fù)責(zé)設(shè)備的管理和控制，數(shù)據(jù)接口類則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。不同的模型端點(diǎn)需求不同，對系統(tǒng)所用的抽象控制模型來說，通信接口類需要一個控制端點(diǎn)（Control Endpoint）來管理設(shè)備的枚舉、虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類型的設(shè)置。數(shù)據(jù)接口類的需求相對比較靈活，本例中采用一個塊傳輸 IN端點(diǎn)和一個等時傳輸OUT端點(diǎn)。

2  CC2531芯片簡介

CC2531是TI公司針對2.4 GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4協(xié)議的片上集成芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU內(nèi)核、256 KB Flash和8 KB RAM;具有1個USB全速接口、2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器；硬件支持CSMACA、數(shù)字化的RSSI/LQI和強(qiáng)大的DMA功能，具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。

CC2531全速USB接口的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特性如下：

◆ 全速操作（12 Mbps）；

◆ 6個端口，端口0為控制端點(diǎn)，其余5個為數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)；

◆ 具有1 KB SRAM（FIFO）存儲USB數(shù)據(jù)包；

◆ 端口支持的數(shù)據(jù)包大小為8~512字節(jié)；

◆ 支持雙緩沖傳輸模式。

圖2  USB接口結(jié)構(gòu)圖

端點(diǎn)0（EP0）為控制端點(diǎn)，枚舉階段的通信都是通過該端口完成的。端點(diǎn)1~5（EP1~5）可以通過SFR配置為等時、塊、中斷3種傳輸方式。其中塊傳輸端點(diǎn)和中斷傳輸端點(diǎn)對應(yīng)的USB寄存器設(shè)置是一樣的，但在固件方面具有不同的屬性。同時為了加快數(shù)據(jù)傳輸，還可以使用雙緩沖模式。在配置各個端點(diǎn)的屬性之前，必須通過特殊寄存器USBINDEX來選擇不同的端點(diǎn)，以此來選擇當(dāng)前進(jìn)行配置的端點(diǎn)寄存器組。

3  USB通信的實(shí)現(xiàn)

CC2531的USB硬件連接很簡單，如圖3所示。采用USB總線供電方式，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片AM11173.3為硬件電路提供3.3 V電壓（圖中未畫出）。由于該設(shè)備為全速設(shè)備，因此D+信號線通過電阻上拉。

圖3  CC2531的USB硬件連接

按照CDC類抽象控制模型對端點(diǎn)的需求，采用端點(diǎn)0作為控制端點(diǎn)，完成設(shè)備的枚舉和串口參數(shù)的設(shè)置。將端點(diǎn)2和端點(diǎn)4分配給數(shù)據(jù)接口子類，作為IN和OUT端點(diǎn)，虛擬串口的數(shù)據(jù)傳輸主要在這兩個端點(diǎn)進(jìn)行。具體的配置如下：

currentLineCoding.dteRate=HAL_UART_BAUDRATE_115200;//波特率設(shè)置

currentLineCoding.charFormat=CDC_CHAR_FORMAT_1_STOP_BIT;//1個停止位

currentLineCoding.parityType=CDC_PARITY_TYPE_NONE;//無奇偶校驗(yàn)

currentLineCoding.dataBits=8;//8位數(shù)據(jù)

USBINDEX=0x02;//選擇端點(diǎn)2

USBCSIH=0x01; //方向：IN塊傳輸，雙緩沖模式

USBMAXI=0x20;//最大包數(shù)目 256字節(jié)（8字節(jié)為單位）

USBINDEX=0x04;//選擇端點(diǎn)4

USBCSOH=0x40;//方向：OUT等時傳輸，單緩沖模式

USBMAXO=0x20;//最大包數(shù)目 256字節(jié)（8字節(jié)為單位）

下面以IN端點(diǎn)2為例，說明數(shù)據(jù)如何通過USB接口傳遞到電腦上。當(dāng)電腦發(fā)出IN請求時，如果USB端點(diǎn)2的FIFO非空，就向電腦發(fā)送FIFO里的內(nèi)容；如果FIFO為空，則向電腦發(fā)送一個空包作為回應(yīng)。CC2531通過寄存器位USBCSIL.INPKT_RDY來控制電腦和8051 MCU內(nèi)核對USB的FIFO的使用權(quán)。當(dāng)INPKT_RDY=1時，電腦正在對USB端口進(jìn)行訪問，8051 MCU內(nèi)核無法向FIFO內(nèi)寫入數(shù)據(jù)；當(dāng)INPKT_RDY=0時，8051 MCU內(nèi)核可以將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入FIFO內(nèi)，置位INPKT_RDY=1,完成數(shù)據(jù)的上傳。其流程如圖4所示。

圖4  端點(diǎn)2數(shù)據(jù)流程

4  溫度采集的實(shí)現(xiàn)

采用CC2531作為溫度數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)，采用IEEE 802.15.4協(xié)議組成一個由10個采集終端組成的星狀網(wǎng)絡(luò)，對終端節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集。終端節(jié)點(diǎn)硬件由CC2530實(shí)現(xiàn)，溫度傳感器采用DS18B20.上位機(jī)由Visual C++編寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和歷史溫度查詢。CC2531的USB設(shè)備描述符里聲明PID=0x1000,VID=0x0451,UBS驅(qū)動采用Windows XP系統(tǒng)提供的usbser.sys.溫度采集結(jié)果如圖5所示。

圖5  溫度采集結(jié)果

結(jié)語

采用CC2531無線單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于USB接口的虛擬串口通信，并詳細(xì)介紹了基于CDC類的USB虛擬串口通信的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸率滿足采用IEEE 802.15.4協(xié)議的低速無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，同時又避免了PC端驅(qū)動程序的開發(fā)，具有一定的實(shí)際意義。