PL2303单片机串口转USB口实现串行通信

引言
    随着科学技术的快速发展，单片机的应用已经渗入到了生产、生活的方方面面，其应用范围越来越广泛，应用前景越来越好。基于单片机的开发应用在目前创新技术发展中一支独秀，非常受广大科技爱好者、在校大学生以及科技开发工作者的青睐。多功能、超强型的单片机在市场上也层出不穷，为单片机的开发应用提供了很好的基础。目前，在单片机的应用系统设计中，USB接口的使用越来越多，简化了单片机系统与外部系统进行信息交换的接口电路，提高了信息交换的可靠性及交换速度。目前市场上提供的各类型单片机品种中，有些型号的单片机在其内部集成有USB接口部件，但大部分的单片机不含有USB接口电路。对芯片内部不含有USB串行接口的单片机，进行USB接口设计时，要通过外围接口芯片来实现USB串行接口，这样的接口芯片，目前市场上已经有很多种了。本文仅就采用单片机本身的串口通过外围芯片PL2303来实现串口转USB接口进行介绍。

1 USB接口的实现
    USB(Universal Serial Bus)是一种通用的串行总线技术，它是通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接，实现数据的传送，具有即插即用功能，支持热插拔，两个通信设备之间线缆长度可达5 m。
    USB接口线有4条，其中两条为电源线和地线(Vbus与GND)，另外两条是以差分形式传递信息的信号线(D+和D-)，从而实现主机系统与USB设备之间的数据通信。含有USB接口的主机与含有USB接口的设备之间通信数据流的示意图如图1所示。

    USB总线技术是基于分组交换方式的总线通信。它首先把数据分成若干块，然后在每块数据前添加上同步信号、包标识，后面再添加上CRC校验码，形成USB数据包。USB通信总线使用差分输出驱动器来控制数据信号在USB电缆上的传送，即通过控制D+和D-线从空闲状态到相反的逻辑电平，实现原端口的数据包发送，数据包发送完以后，信号线(D+)和(D-)上的输出驱动器均处于高阻状态。

2 单片机串口转USB接口的电路
    无论哪一款的单片机，其芯片上都有串行通信引脚TXD和RXD，利用这两个引脚，通过某种接口芯片来实现串口转USB口的电路。本文采用Prolific公司推出的串口转USB接口的转换芯片PL2303来实现单片机的串口转USB接口的电路。接口电路的设计如图2所示。

    在图2中，PL2303的TXD引脚和RXD引脚分别与单片机的P3．0(RXD)引脚和P3．1(TXD)引脚相连，这样就完成了单片机的串口与USB口的转换。单片机从串口发送出去的数据信息通过PL2303芯片转换为USB数据流，再通过USB口的连接器传送给主机设备。可以看出PL2303与单片机的连接非常简单，只需两根信号线就可以。

3 单片机串口软件设计
    串口转USB口串行通信方式采用异步半双工通信方式，即通信双方发送和接收信息是分时段交替进行的，双方不能同时进行收发操作。通信的数据格式为每帧10位，其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。一帧数据的格式如图3所示。数据的发送是低位在先，高位在后。

    在串行通信中，收发双方对发送和接收数据的速率要有约定，即设定波特率。通过软件可以对单片机串口设置为4种工作方式，即方式0、方式1、方式2、方式3。其中方式0和方式2的波特率是固定不变的，方式1和方式3的波特率是可以调整的。波特率由单片机内部的定时器T1的溢出率来决定，用定时器T1作为串行通信波特率发生器时，典型的使用方法是使T1工作在自动重装的8位定时方式，即定时器的工作方式2，这时定时器T1的溢出率取决于TH1中的初值。而单片机的串行通信方式采用方式1，即数据发送是10位帧格式。串行通信方式1的波特率的计算如下：
    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是单片机芯片内部的电源控制寄存器PCON中的D7位，可取值为0或1；fOSC是表示单片机外接的晶体振荡器的频率。
    在实际应用中，数据传送的波特率最好选择标称值，又由于TH1的初值是整数，为了减小波特率计算误差，单片机外接的晶振频率尽量选用11．059 2 MHz，这样串行通信方式1的波特率与TH1的初值的对应关系基本上是一个确定值，如表1所列。

    根据表1，如果串行通信的波特率选用9 600，则装入单片机定时器1的TH1中的初值就是FDH，通过下面的程序完成初始化：
   
 

4 PL2303的驱动
    PL2303是Prolmc公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利连接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几个电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便地嵌入到手持设备中。该器件作为USB／RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据，并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据，转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。
    PL2303的驱动可在大多数操作系统上模拟成传统的COM端口，并允许基于COM端口应用方便地转换为USB接口应用，实现通信，其数据传输的波特率可高达6 Mbps。通过利用USB块传输模式，利用庞大的数据缓冲器和自动流量控制，PL2303能够实现更高的数据吞吐量，比传统的UART(通用异步收发器)端口要快。
    前面介绍了单片机与PL2303的接口电路，通过PL2303的桥接，将单片机的串口转成了USB口。当单片机系统与PC主机系统通过USB通信线连接起来后，PC机将这个USB接口看成是一个COM口(RS232全双工异步串行通信接口)，此时，PC机要装入PL2303的驱动程序，这个驱动程序就是将该USB口模拟成为一个COM口，USB转串口线的端口号可能是COM4，也可能是COM5，此端口号是电脑系统自动分派的，不是每台电脑都一样。在没有必要的情况下，请不要去修改它，使用时只需记住这个端口号就可以了。在使用此端口的软件中，都务必按此端口来选择，如STC—ISP下载软件、串口调试软件等。PL2303的驱动程序可以从官方网站下载。

结语
    本文介绍的单片机串口转USB口的接口电路已经通过实际的电路板实现，在实际的应用中效果很好，通信的可靠性很高，特别适合笔记本电脑与单片机系统之间的通信。有些笔记本电脑的操作系统是Win7操作系统，此时要注意在官方网站上下载Win7操作系统的PL2303驱动．PART．RAR。在使用中感觉到的不足之处是PL2303芯片在做电路时，外接的电阻、电容等器件比较多，画电路板比较麻烦。