PL2303單片機串口轉USB口實現串行通信

引言
隨著科學技術的快速發展，單片機的應用已經滲入到了生產、生活的方方面面，其應用範圍越來越廣泛，應用前景越來越好。基於單片機的開發應用在目前創新技術發展中一支獨秀，非常受廣大科技愛好者、在校大學生以及科技開發工作者的青睞。多功能、超強型的單片機在市場上也層出不窮，為單片機的開發應用提供了很好的基礎。目前，在單片機的應用系統設計中，USB接口的使用越來越多，簡化了單片機系統與外部系統進行信息交換的接口電路，提高了信息交換的可靠性及交換速度。目前市場上提供的各類型單片機品種中，有些型號的單片機在其內部集成有USB接口部件，但大部分的單片機不含有USB接口電路。對晶片內部不含有USB串行接口的單片機，進行USB接口設計時，要通過外圍接口晶片來實現USB串行接口，這樣的接口晶片，目前市場上已經有很多種了。本文僅就採用單片機本身的串口通過外圍晶片PL2303來實現串口轉USB接口進行介紹。

1 USB接口的實現
USB(Universal Serial Bus)是一種通用的串行總線技術，它是通過PCI總線和PC的內部系統數據線連接，實現數據的傳送，具有即插即用功能，支持熱插拔，兩個通信設備之間線纜長度可達5 m。
USB接口線有4條，其中兩條為電源線和地線(Vbus與GND)，另外兩條是以差分形式傳遞信息的信號線(D+和D-)，從而實現主機系統與USB設備之間的數據通信。含有USB接口的主機與含有USB接口的設備之間通信數據流的示意圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/307663.htm

USB總線技術是基於分組交換方式的總線通信。它首先把數據分成若干塊，然後在每塊數據前添加上同步信號、包標識，後面再添加上CRC校驗碼，形成USB數據包。USB通信總線使用差分輸出驅動器來控制數據信號在USB電纜上的傳送，即通過控制D+和D-線從空閒狀態到相反的邏輯電平，實現原埠的數據包發送，數據包發送完以後，信號線(D+)和(D-)上的輸出驅動器均處於高阻狀態。

2 單片機串口轉USB接口的電路
無論哪一款的單片機，其晶片上都有串行通信引腳TXD和RXD，利用這兩個引腳，通過某種接口晶片來實現串口轉USB口的電路。本文採用Prolific公司推出的串口轉USB接口的轉換晶片PL2303來實現單片機的串口轉USB接口的電路。接口電路的設計如圖2所示。

在圖2中，PL2303的TXD引腳和RXD引腳分別與單片機的P3．0(RXD)引腳和P3．1(TXD)引腳相連，這樣就完成了單片機的串口與USB口的轉換。單片機從串口發送出去的數據信息通過PL2303晶片轉換為USB數據流，再通過USB口的連接器傳送給主機設備。可以看出PL2303與單片機的連接非常簡單，只需兩根信號線就可以。

3 單片機串口軟體設計
串口轉USB口串行通信方式採用異步半雙工通信方式，即通信雙方發送和接收信息是分時段交替進行的，雙方不能同時進行收發操作。通信的數據格式為每幀10位，其中1位起始位，8位數據位，1位停止位。一幀數據的格式如圖3所示。數據的發送是低位在先，高位在後。

在串行通信中，收發雙方對發送和接收數據的速率要有約定，即設定波特率。通過軟體可以對單片機串口設置為4種工作方式，即方式0、方式1、方式2、方式3。其中方式0和方式2的波特率是固定不變的，方式1和方式3的波特率是可以調整的。波特率由單片機內部的定時器T1的溢出率來決定，用定時器T1作為串行通信波特率發生器時，典型的使用方法是使T1工作在自動重裝的8位定時方式，即定時器的工作方式2，這時定時器T1的溢出率取決於TH1中的初值。而單片機的串行通信方式採用方式1，即數據發送是10位幀格式。串行通信方式1的波特率的計算如下：
方式1波特率=(2SMOD／32)x T1溢出率 (1)
T1溢出率=fOSC／[12×(256-TH1)] (2)
上式中，SMOD是單片機晶片內部的電源控制寄存器PCON中的D7位，可取值為0或1；fOSC是表示單片機外接的晶體振蕩器的頻率。
在實際應用中，數據傳送的波特率最好選擇標稱值，又由於TH1的初值是整數，為了減小波特率計算誤差，單片機外接的晶振頻率儘量選用11．059 2 MHz，這樣串行通信方式1的波特率與TH1的初值的對應關係基本上是一個確定值，如表1所列。

根據表1，如果串行通信的波特率選用9 600，則裝入單片機定時器1的TH1中的初值就是FDH，通過下面的程序完成初始化：



4 PL2303的驅動
PL2303是Prolmc公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。該器件內置USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部數據機控制信號的UART，只需外接幾個電容就可實現USB信號與RS232信號的轉換，能夠方便地嵌入到手持設備中。該器件作為USB／RS232雙向轉換器，一方面從主機接收USB數據，並將其轉換為RS232信息流格式發送給外設；另一方面從RS232外設接收數據，轉換為USB數據格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成，開發者無需考慮固件設計。
PL2303的驅動可在大多數作業系統上模擬成傳統的COM埠，並允許基於COM埠應用方便地轉換為USB接口應用，實現通信，其數據傳輸的波特率可高達6 Mbps。通過利用USB塊傳輸模式，利用龐大的數據緩衝器和自動流量控制，PL2303能夠實現更高的數據吞吐量，比傳統的UART(通用異步收發器)埠要快。
前面介紹了單片機與PL2303的接口電路，通過PL2303的橋接，將單片機的串口轉成了USB口。當單片機系統與PC主機系統通過USB通信線連接起來後，PC機將這個USB接口看成是一個COM口(RS232全雙工異步串行通信接口)，此時，PC機要裝入PL2303的驅動程序，這個驅動程序就是將該USB口模擬成為一個COM口，USB轉串口線的埠號可能是COM4，也可能是COM5，此埠號是電腦系統自動分派的，不是每臺電腦都一樣。在沒有必要的情況下，請不要去修改它，使用時只需記住這個埠號就可以了。在使用此埠的軟體中，都務必按此埠來選擇，如STC—ISP下載軟體、串口調試軟體等。PL2303的驅動程序可以從官方網站下載。

結語
本文介紹的單片機串口轉USB口的接口電路已經通過實際的電路板實現，在實際的應用中效果很好，通信的可靠性很高，特別適合筆記本電腦與單片機系統之間的通信。有些筆記本電腦的作業系統是Win7作業系統，此時要注意在官方網站上下載Win7作業系統的PL2303驅動．PART．RAR。在使用中感覺到的不足之處是PL2303晶片在做電路時，外接的電阻、電容等器件比較多，畫電路板比較麻煩。