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RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個COM（通信）口。"RS-232"是其zui明確的名稱。 在計算機世界中，大量的接口是串口或異步口，但并不一定符合RS-232標準，但我們也通常認為它是RS-232口。 嚴格地講RS-232接口是DTE（數據終端設備）和DCE（數據通信設備）之間的一個接口，DTE包括計算機、終端、串口打印機等設備。DCE通常只有調制解調器（MODEM）和某些交換機COM口是DCE。標準指出DTE應該擁有一個插頭（針輸出），DCE擁有一個插座（孔輸出）。這經常被制造商忽視（如:WYSE終端就是孔輸出DTE串口）但影響不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照標準接線圖接線就不會錯了

• RS232接口的標準

  • 目前RS232ONT>是PC與通信工業(yè)中應用zui廣泛的一種串行接口，RS代表*標準，232是標識號。RS232采取不平衡傳輸方式，即單端通信。一個完整的RS232接口有22根線，采用標準的25芯插頭座。除此之外，目前廣泛應用的還有一種9芯的RS232接口。它們的外觀都是一個D形，對接的兩個接口又分為針式和孔式兩種。

    RS232標準中定義了邏輯1和邏輯0電壓級數，以及標準的傳輸速率和連接器類型。信號大小在正的和負的3～15 V之間。RS232規(guī)定接近0的電平是無效的，邏輯1規(guī)定為負電平，有效負電平的信號狀態(tài)稱為傳號（Marking），它的功能意義為OFF；邏輯0規(guī)定為正電平，有效正電平的信號狀態(tài)稱為空號（Spacing），它的功能意義為ON。

    在RS232標準中規(guī)定的設備可以分為數據終端設備（DTE）和數據通信設備（DCE）兩類，這種分類定義了不同的線路用來發(fā)送和接收信號。一般來說，計算機和終端設備有DTE連接器，調制解調器和打印機有DCE連接器。

    本文采用被廣泛使用的9芯RS232接口進行數據采集。
    

     

    表所示為在PC機、調制解調器和路由器等網絡設備中使用的9芯RS 232接口的信號和管腳分配。

• PC機擴展RS-232接口

  • 1．PC機串口的RTS和DTR及擴展電路

    RTS和DTR是PC機中8250芯片的MODEM控制寄存器的兩個輸出引角D1和D0位，口地址為COM1的是3FCH，口地址為COM2的是2FCH。我們可以利用對MODEM控制寄存器3FCH或2FCH的寫操作對其進行控制。從而利用該操作和擴展電路實現對TXD和RXD進行多線擴展，是其擴展電路。 在PC機串口擴展電路中，74LS161是二進制計數器，1腳是清0端，2腳是計數端，計數脈沖為負脈沖信號，4051是八選一雙向數字/模擬電子開關電路，其中一片用于正向輸出，一片用于反向輸出。該擴展電路工作原理是通過控制PC機串口的DTR輸出的高低電平來形成74LS161的P2腳計數端的負脈沖信號，使161的輸出端P14（QA）、P13（QB）、P12（QC）、P11（QD）腳依次在0000到1111十六個狀態(tài)中變化，本電路僅使用了QA、QB、QC三個輸出來形成對4051的ABC控制，zui終使得4051（1）的輸入端TXD依次通過與TX1～TX8導通而得到輸出信號，4051（2）的輸出端RXD與RX1～RX8依次導通形成輸入信號。由于RXD和TXD的導通是一一對應的，因此串口通信就可以依次通過與多達8個帶有三線基本串口的外部設備進行通信傳輸以實現數據傳送。PC機端的電平轉換電路是將RS232電平轉換為TTL電平，外設端的電平轉換電路是將TTL電平轉換為RS232電平。。

    2．電路使用程序 對PC機串口COM1的編程如下：
    

     

    對COM1口的波特率等設置； MOV DX，3FCH MOV AL，XXXXXX01B OUT DX，AL；D1生成RTS負脈沖，對74LS161輸出端清0 MOV AL，XXXXXX11B； OUT DX，AL ；4051的RX1和TX1導通 CALL COM ；調用通信子程序，與*個外部設備通信； MOV CX，7 ；設置循環(huán)計數器； NEXT：MOV DX ，3FCH MOV AL，XXXXXX10B OUT DX ，AL ；D0位生成DTR的負脈沖，形成161的P2腳計數脈沖 MOV AL，XXXXXX11B OUT DX，AL ；RX2和TX2導通 CALL COM ；調用通信子程序，與第二個外部設備通信 LOOP NEXT ；循環(huán)與另外6個外部設備通信；3．使用說明

    由于該擴展的多路接口在通信時共用一個子程序，因此在與某一路導通時，系統(tǒng)只能與這一路的外部設備進行通信聯絡。 如果工作現場需要立即和某一路通信，則需要對3FCH的D1位執(zhí)行兩個寫操作并在RTS腳形成負脈沖，以對7416I清0后，再連接執(zhí)行若干次對DTR的兩次寫操作。例如想對第4路外設通信，則需要執(zhí)行完成對74LS161清0后，再連續(xù)三次對3FCH的D0位進行兩個寫操作以形成DTR腳的負脈沖，然后即可調用通信子程序。 如需使用PC機的COM2串口，只需將程序中的3F8H～3FDH全部換成2F8H～2FDH即可。 如果使用十六選一雙向數字/模擬電子開關電路，可將74LS161的QA、QB、QC、QD四個輸出端接至電子開關的四個控制端A、B、C、D，這樣就可以達到一個PC機的RS232口與16個帶有串口的外設的數據通信。

• RS-232接口的連線

  • RS-232接口又稱之為RS-232口、串口、異步口或一個COM（通信）口。"RS-232"是其zui明確的名稱。 在計算機世界中，大量的接口是串口或異步口，但并不一定符合RS-232標準，但我們也通常認為它是RS-232口。 嚴格地講RS-232接口是DTE（數據終端設備）和DCE（數據通信設備）之間的一個接口，DTE包括計算機、終端、串口打印機等設備。DCE通常只有調制解調器（MODEM）和某些交換機COM口是DCE。標準指出DTE應該擁有一個插頭（針輸出），DCE擁有一個插座（孔輸出）。這經常被制造商忽視（如:WYSE終端就是孔輸出DTE串口）但影響不大，只要搞清楚DCE、DTE就行了，然后按照標準接線圖接線就不會錯了。（DTE、DCE 引腳定義相同）
    

     

    接口的電氣特性 在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系。即：邏 輯“1”，-5— -15V；邏輯“0” +5— +15V 。噪聲容限為2V。即 要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯“0”，高到-3V的信號 作為邏輯“1”

    接口的物理結構 RS-232-C接口連接器一般使用型號為DB-25的25芯插頭座,通常插頭在DCE端,插座在DTE端. 一些設備與PC機連接的RS-232-C接口,因為不使用對方的傳送控制信號,只需三條接口線,即“發(fā)送數據”、“接收數據”和“信號地”。所以采用DB-9的9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。

    傳輸電纜長度 由RS-232C標準規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長度應為50英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應用中，約有99%的用戶是按碼元畸變10-20%的范圍工作的，所以實際使用中zui大距離會遠超過50英尺，美國DEC公司曾規(guī)定允許碼元畸變?yōu)?10%而得出附表2 的實驗結果。其中1號電纜為屏蔽電纜，型號為DECP.NO.9107723 內有三對雙絞線，每對由22# AWG 組成，其外覆以屏蔽網。2號電纜為不帶屏蔽的電纜。型號為DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯電纜。 附表2 DEC 公司的實驗結果。
    

     

• RS232接口轉USB接口的通信方法

  • USB作為一種新的PC機互連協(xié)議，使外設到計算機的連接更加高效、便利。這種接口適合于多種設備，不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點，還能同時連接多達127個設備，解決了如資源沖突、中斷請求（IRQs）和直接數據通道（DMAs）等問題。因此,越來越多的*欲在自己的產品中使用這種標準接口。而RS232是單個設備接入計算機時，常采用的一種接入方式，其硬件實現簡單， 因此在傳統(tǒng)的設備中有很多采用了這種通信方式。 一般的IC卡門禁考勤系統(tǒng)也使用RS232接口與PC機通信。如果將USB技術應用于IC卡門禁考勤系統(tǒng)與PC機之間的數據通信，這樣，不僅能使IC卡門禁考勤設備具備USB通信的諸多優(yōu)點，而且對PC機而言還可以節(jié)余1個RS232串口為其它通信所用。

    1 USB系統(tǒng)概述

    USB規(guī)范描述了總線特性、協(xié)議定義、編程接口以及其它設計和構建系統(tǒng)時所要求的特性。USB是一種主從總線，工作時USB主機處于主模式，設備處于從模式。USB系統(tǒng)所需要的*的系統(tǒng)資源是，USB系統(tǒng)軟件所使用的內存空間、USB主控制器所使用的內存地址空間（I/O地址空間）和中斷請求（IRQ）線。USB設備可以是功能性的，如顯示器、鼠標或者集線器之類。它們可以作低速或者高速設備實現。低速設備zui大速率限制在1.5 Mb/s，每一個設備有一些專有寄存器，也就是端點（endpoint）。在進行數據交換時，可以通過設備驅動間接訪問它。每一個端點支持幾種特殊的傳輸類型，并且有一個*的地址和傳輸方向。不同的是端點0 僅用作控制傳輸，并且其傳輸可以是雙向的。

    系統(tǒng)上電后，USB主機負責檢測設備的連接與拆除、初始化設備的列舉過程，并根據設備描述表安裝設備驅動后自動重新配置系統(tǒng)，收集每個設備的狀態(tài)信息。設備描述表標識了設備的屬性、特征并描述了設備的通信要求。USB主機根據這些信息配置設備、查找驅動，并且與設備通信。

    典型的USB數據傳輸是由設備驅動開始的，當它需要與設備通信時，設備驅動提供內存緩沖區(qū)，用來存放設備收到或者即將發(fā)送的數據。USB驅動提供USB設備驅動和USB主控制器之間的接口，并將傳輸請求轉化為USB事務，轉化時需要與帶寬要求及協(xié)議結構保持*。某些傳輸是由大塊數據構成的，這時需要先將它劃分為幾個事物再進行傳輸。

    具有相似功能的設備可以組成一類，這樣便于分享共有的特性和使用共同的設備驅動程序。每個類可以定義其自己的描述符，如：HID類描述符和 Report描述符。HID類是由人控制計算機系統(tǒng)的設備組成的，它定義了一個描述HID設備的結構，并且表明了設備的通信要求。HID設備描述符必須支持端點輸入中斷，固件也必須包括一個報告描述符，表明接收和發(fā)送數據的格式。在IC卡門禁考勤系統(tǒng)引入RS232到USB的接口轉換模塊后，從系統(tǒng)所具有的特性來看，應該屬于HID設備。因此，兩種特殊的HID類請求必須被支持：SetReport和GetReport 。這些請求使設備能接收和發(fā)送一般的設備信息給主機。在沒有中斷輸出終端時，SetReport是主機發(fā)送數據給HID設備的*方式。

    2 系統(tǒng)要求

    為了實現IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS232-USB的接口轉換，需要1臺支持USB的主機，同時還要提供主機上用于與外設通信的驅動，一般由操作系統(tǒng)提供。此外，還需開發(fā)在主機上執(zhí)行的客戶端應用程序。在設備端，需要提供具有USB接口的主控制器芯片，以及編寫主控制器上執(zhí)行的USB通信代碼和用于執(zhí)行外設功能的相關代碼。

    2.1 主機要求

    主機必須能夠通過設備驅動接收USB數據，并且使這些數據對處理這些請求的應用程序有效。在主機中必須有一個驅動負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發(fā)數據；同時，還需要有一個設備驅動-虛擬化串行口，仿效真實的串口。這個驅動必須能夠像真實的串口接收和發(fā)送USB數據。

    從應用的觀點，設備驅動必須能收發(fā)數據，可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉化為USB 數據實現。微軟提供了一個叫作USB POS的設備驅動，它允許應用程序訪問USB設備時，好像它們連接到標準串口上一樣。系統(tǒng)大致結構方框圖如圖1所示。
    

     

    2.2 設備要求

    在定義即將使用的微控制器時，必須說明一些通信要求，如：通信速率、頻率、傳輸的數據量等?？紤]到IC卡門禁考勤系統(tǒng)有效的通信速率，可以把轉換器作為一個低速的設備使用，低速設備通信速度可以在10~100Kb/s的范圍變化?？紤]到傳輸的數據量和傳輸的頻率， 此系統(tǒng)中使用中斷的傳輸類型。中斷傳輸可以在2個方向進行，但不能同時進行,這種類型的傳輸要求在規(guī)定的時間里完成相當大數據量的傳輸任務。

    對于轉換模塊，它可以用于PC機的數據收發(fā)，操作系統(tǒng)提供了HID驅動， 允許使用中斷傳輸模式。對于低速設備的一個事務，中斷傳輸zui大的包容量是 8字節(jié)，如果需要發(fā)送大量的數據，則必須把它分割為很多事務。

    轉換模塊要定義的另一個特性是所需端點數。如上所述， 端點是微控制器在USB通信過程中所用來發(fā)送和接收數據的緩沖區(qū)。此系統(tǒng)中，該轉換器定義了2個端點：一個端點（端點0）用來控制傳輸，另一個端點是中斷輸入端點，定義為發(fā)數據給PC機。

    根據以上要求，通過研究比較現有的微控制器，考慮到如內存空間、價格和開發(fā)包等因素，我們選用Cypress家族的一種8位RISC微控制器CY7C634XX/5XX。 它使用哈佛總線結構，是對較高 I/O要求的低速應用設備的低價解決方案。

    圖2為IC卡門禁考勤系統(tǒng)USB通信實現硬件方框原理圖。
    

     

    3 軟件設計和執(zhí)行

    系統(tǒng)軟件由6部分組成：定義描述符、設備檢測和列舉、端點中斷服務程序、USB數據交換模塊、串行口數據交換模塊、USB/Serial模塊接口。 下面簡要描述其中部分模塊程序的功能和實現思想。

    3.1 描述符定義

    描述符是數據結果或信息的格式化塊,它可以使主機知道這個設備。每個描述符包含了這個設備整體的信息或者某個元素的信息。所有的USB外設必須響應對標準的USB描述符的請求。

    該系統(tǒng)中使用了1個接口和2個終端（控制和中斷輸入）。由于受Win98的限制還不能使用中斷輸出終端,因此為了解決這個問題，我們通過在端點0中使用SetReport傳輸PC機欲送往IC卡門禁考勤設備的數據。

    數據接收是在Output Reports中完成的。它根據送往IC卡門禁考勤設備zui大的數據量，系統(tǒng)定義為16K個8位域。發(fā)送數據給主機是在輸入報告中完成的，它是8K個8位域。

    3.2 設備檢測和列舉

    當1個USB 人機接口類（HID）設備*次連接到總線， 它將被總線供電但仍然非功能性等待1個總線復位。D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設備，主機也同時知道了新連接的USB設備，并將它復位。緊跟輸入包之后，主機發(fā)送1個配置包，從缺省地址0處讀取設備描述符。讀到描述符后，主機將分配一個新的地址給設備，并繼續(xù)查詢關于設備描述、配置描述、人機報告描述的信息，設備將開始對新分配的地址作出反應。根據從設備處返回的信息，主機知道了被設備支持的數據終端的數量，完成列舉過程。列舉結束后，Windows將把新的設備加入到控制面板的設備管理器中顯示。

    為此，在微控制器中必須寫入訪問描述符的代碼，這樣便于對主機在列舉設備時發(fā)送的請求作出有效的辨識和響應。在設備方面需要創(chuàng)建一個INF文件，使Windows能夠辨識設備，并且為設備找到其驅動。由于操作系統(tǒng)提供了簡單的INF文件，因此，開發(fā)中只需要編寫寫入到微控制器中的程序。

    3.3 數據發(fā)送和接收過程

    發(fā)送數據到門禁考勤系統(tǒng)是通過控制端點0中使用SetReport來完成的。主機先向門禁考勤系統(tǒng)請求發(fā)送數據，設備響應請求后，主機便開始執(zhí)行。 當有數據到達設備的終端0時，將對設備產生一個中斷。此時，相應的中斷服務程序便將數據復制到數據緩沖區(qū)。 一旦進入端點0的中斷服務程序，所有的中斷必須關閉，確保能夠正確地復制數據。

    微處理器的數據緩沖區(qū)編程為可以接收64個字節(jié)，這個值是存放在設置包的包頭請求信息中。從主機處接收到的zui大包大小，是根據它將發(fā)送給門禁考勤系統(tǒng)的zui大數據量來決定的。

    系統(tǒng)還使用了Put_command線程，通過1個 I/O端口引腳，向門禁考勤系統(tǒng)串口發(fā)送數據。在執(zhí)行此線程時，根據串口通信協(xié)議插入了起始位、停止位以及相應的延時。

    從門禁考勤系統(tǒng)接收數據的過程是利用端點1完成的。端點1配置為1個中斷輸入端點，當有1個起始位到達引腳時，GPIO中斷必須打開，并關閉所有其它類型中斷。 設計中通過使用1個Get_Serial線程來收集I/O引腳發(fā)出的串行數據，并把它存入數據緩沖區(qū)。 同時該線程負責檢驗接收到的起始位和停止位的正確性。當收到8個字節(jié)時，將接收緩沖區(qū)中的數據復制到終端1的緩沖區(qū)，并且允許微處理器響應中斷輸入請求。

    考慮到一般串行口的有效波特率的范圍在300~19 200 bps， 我們按處于zui大波特率19 200 bps 的情況來考慮, 傳輸1個字符需要時間接近0.75 ms；而1個輸入中斷大約每10 ms送1個8字節(jié)的數據包,因此，設計1個128字節(jié)的快速數據緩沖區(qū)便可以保證不會丟失數據。

    RS232-USB接口轉換模塊用于改進我們的IC卡門禁考勤系統(tǒng)，使用效果良好。