USB虛擬串口
1.USB虛擬串口代替物理串口的可行性編程
首先，愈來愈多帶USB接口的器件涌現出來，如帶USB接口的單片機，或獨立的USB接口器件，並且這些器件的成本已經很接近於使用RS232電平轉換芯片所帶來的成本。網絡
其次，市場上也出現了一些USB接口轉串口的芯片，這些芯片一頭爲串口，另外一頭爲USB接口，在其內部完成串口到USB協議的轉換。該芯片經過USB口鏈接到我的計算機後，在操做系統中表現爲一個串口設備，這意味着USB接口對於傳統的串口調試工具（HyperTerninal）和用戶基於串口的應用程序是透明的，開發人員徹底不用更改PC端的調試和應用程序。異步
可是這些器件的USB類不屬於標準的USB設備類，所以須要在Windows和Linux操做系統上安裝額外的設備驅動。另外，因爲不是操做系統自帶的設備驅動，並且通訊通過了由串口到串口，USB從設備到USB主機的屢次轉換，當調試遇到問題時經常沒法肯定是串口出了問題仍是USB出了問題。所以，應該使嵌入式系統直接和PC經過USB總線接口鏈接（經過片上的USB接口或片外USB接口芯片），由單片機直接完成USB虛擬串口的協議轉換。函數
在USB標準子類中，有一類稱之爲CDC類，能夠實現虛擬串口通訊的協議，並且因爲大部分的操做系統（Windows和Linux）都帶有支持CDC類的設備驅動程序，能夠自動識別CDC類的設備，這樣不只免去了寫專用設備驅動的負擔，同時簡化了設備驅動的安裝。工具
2.什麼是CDC類編碼
USB的CDC類是USB通訊設備類（Communication Device Class）的簡稱。CDC類是USB組織定義的一類專門給各類通訊設備（電信通訊設備和中速網絡通訊設備）使用的USB子類。根據CDC類所針對通訊設備的不一樣，CDC類又被分紅如下不一樣的模型：USB傳統純電話業務（POTS）模型，USB ISDN模型和USB網絡模型。其中，USB傳統純電話業務模型，有可分爲直接線控制模型（Direct Line Control Model）、抽象控制模型（Abstract Control Model）和USB電話模型（USB Telephone Model），如圖1所示。本文所討論的虛擬串口就屬於USB傳統純電話業務模型下的抽象控制模型。
操作系統
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一般一個CDC類又由兩個接口子類組成通訊接口類（Communication Interface Class）和數據接口類(Data Interface Class)。筆者主要經過通訊接口類對設備進行管理和控制，而經過數據接口類傳送數據。這兩個接口子類佔有不一樣數量和類型的終端點（Endpoints），如圖2所示。
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對於前面所述的不一樣CDC類模型，其所對應的接口的終端點需求也是不一樣的。如所須要討論的抽象控制模型對終端點的需求，通訊接口類須要一個控制終端點（Control Endpoint）和一個可選的中斷（Interrupt）型終端點，數據接口子類須要一個方向爲輸入（IN）的週期性（Isochronous）型終端點和一個方向爲輸出（OUT）的週期性型終端點。其中控制終端點主要用於USB設備的枚舉和虛擬串口的波特率和數據類型（數據位數、中止位和起始位）設置的通訊。輸出方向的非同步終端點用於主機（Host）向從設備（Slave）發送數據，至關於傳統物理串口中的TXD線（若是從單片機的角度看），輸入方向的非同步終端點用於從設備向主機發送數據，至關於傳統物理串口中的RXD線。
3.AT89C5131的簡單介紹設計
基於單片機的嵌入式系統要實現USB總線通訊，一般都是經過外擴專用的USB總線接口芯片（如飛利浦的D12）。可是這樣的方案既增長了成本，又使PCB板的面積變大，因此使用Atmel公司的集成了USB2.0全速（Full Speed）從接口外設的51單片機AT89C5131。調試
AT89C5131是一個基於52內核的單片機。在存儲器方面，其內部集成了32KB的Flash存儲器用於代碼的存儲，1KB的EEPROM存儲器用於用戶數據的存儲，用戶可使用片上的Bootloader或Flash API經過USB接口或者其餘接口（如UART和I2C總線）對Flash存儲器和EEPROM存儲器進行ISP或者IAP編程。 此外AT89C5131還集成了10位的ADC、I2C總線接口和PCA模塊等豐富的外設。
接口
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AT89C5131的USB2.0全速從接口的結構如圖3所示，其包括USB D+/D-的接口緩衝，數字鎖相環，串行接口引擎（SIE）和通用功能接口（UFI）。其中數字鎖相環以單片機的時鐘爲輸入，產生了USB接口其餘部分所需的48MHz時鐘。串行接口引擎完成USB通訊物理層NRZI碼的編碼與解碼，CRC生成以及校驗與糾錯。通用功能接口包含了一個雙端口的數據存儲器，其一端與串行接口引擎連接，另外一端經過數據總線與單片機相鏈接，使單片機能夠經過特殊功能寄存器完成對USB2.0從接口的控制與通訊。
AT89C5131的USB2.0全速從接口包含了7個終端點，其中0號終端點被配置成爲默認的控制終端點。其餘1～6號終端點均可以經過特殊寄存器配置爲控制（Control），突發（Bulk），中斷（Interrupt）和週期性（Isochronous）模式。因爲每個終端點都由一組獨立的寄存器對該終端點進行控制、狀態識別和數據的存取，則若是將這些寄存器直接映射到51單片機的特殊功能寄存器地址空間顯然是容納不下的。所以，這7個終端點的7組寄存器在單片機的地址空間中其實使用的是同一組寄存器的地址，而經過一個特殊功能寄存器（UEPNUM）來選擇當前該組寄存器實際選擇的是哪一個終端點的寄存器組，這樣就大大節省了所佔用的地址空間，爲集成其餘特殊外設提供了可能。
4.基於AT89C5131的CDC類的實現
AT89C5131與USB接口的硬件鏈接很簡單，選用一個Btype的USB插座，由於按照USB規範，從設備使用Btype的USB插座，主設備使用Atype的USB插座，將Btype的USB插座的D+和D-腳分別與AT89C5131上的D+和D-腳相連。而後再在電源和D+之間用一個1.5 kΩ的上拉電阻鏈接，由於按照USB規範，USB主設備是經過從設備在插入時D+和D-上的絕對電平來肯定從設備是一個全速設備仍是一個低速設備的，而AT89C5131是一個全速設備，因此須要將D+上拉。
下面介紹虛擬串口的單片機軟件設計與實現。首先來看一下終端點的分配，按照CDC類抽象控制模型對終端點的需求，將單片機0號終端點和1號終端點分配給通訊接口子類，分別做爲控制終端點（完成枚舉和串口參數設置）和中斷終端點，而將2號和3號終端點分配給數據接口子類，分別做爲IN和OUT終端點，虛擬串口的數據主要從這兩終端點來進行傳送。
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因爲各個終端點的行爲相對獨立，對於每一個終端點的控制過程又有類似性，在這裏以2號終端點即做爲數據接口的IN終端點爲例，說明軟件是如何對終端點進行操做和控制的，其控制流程圖如圖4所示。2號終端點是一個IN的終端點，它的主要工做是模擬物理串口的TXD線，向主設備發送數據。當主設備發出IN的請求時，若是FIFO不空，就向主設備發送FIFO的內容；若是FIFO爲空，則向主設備發送一個空包做爲迴應。AT89C5131在收到IN的請求時，會觸發USB中斷（若是被使能），在中斷處理程序中，如圖4所示，首先判斷中斷的觸發源是哪一個終端點，若是是2號終端點，將USB寄存器組映射到2號終端點的那一組，而後將須要發送的串口數據填入FIFO寄存器（UEPDATX），置位UEPSTAX的TXRDY位，表示FIFO中的數據已經準備好，這時USB接口就會自動響應IN請求，並將FIFO中的數據發送出去，程序則可退出中斷服務程序。對於其餘的終端點，其處理過程也是類似的。
軟件使用Keil C51爲編譯系統，爲了便於和系統的其餘程序集成，採用標準字符型設備的API接口usb_getc()和usb_putc()，使程序具備很好的移植性。應用程序層函數（usb_getc()和usb_putc()）與USB中斷處理程序經過兩個先進先出FIFO循環隊列(TX和RX)來交換數據，這樣有效的起到收發緩衝的做用，防止緩衝溢出。
5.總結
在單片機上實現基於CDC類的USB虛擬串口很好的適應了當前計算機外設接口的發展，同時由於這樣的接口在PC操做系統中仍然映射爲一個串口，因此又避免了大量的PC端調試程序和應用程序的從新編寫。