USB接口由于其方便靈活、獨立供電的特點，已廣泛應用于數據采集與監控系統中。采用TI公司的第二代SOC芯片CC2531,實現了基于USB接口的虛擬串口通信，并以溫度監測系統將其引入到實際工程中來。

1 CDC類簡介

在USB的文件中，定義了將某種相同屬性的設備整合在一起的群體，稱之為類。這樣做可以同時開發該類的驅動程序，提高了驅動程序的復用性。CDC類是通信設備類的簡稱，是專為各種通信設備定義的子類。根據應用場合的不同，CDC類可以分成以下不同的模型：POST（傳統純電話業務）模型、ISDN模型和Networking（網絡）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（數據泵）模型、T（電話）模型。CDC類的結構如圖1所示。本文的USB接口開發就屬于POST模型下的AC模型。


圖1 CDC類結構圖

此外，CDC又由CommunicatiON Interface Class（通信接口類）和Data Interface Class（數據接口類）組成。通信接口類主要負責設備的管理和控制，數據接口類則負責數據的傳輸。不同的模型端點需求不同，對系統所用的抽象控制模型來說，通信接口類需要一個控制端點（Control Endpoint）來管理設備的枚舉、虛擬串口的波特率和數據類型的設置。數據接口類的需求相對比較靈活，本例中采用一個塊傳輸 IN端點和一個等時傳輸OUT端點。

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協議的片上集成芯片。其內部集成了高性能射頻收發器、工業標準增強型8051 MCU內核、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協同處理器；硬件支持CSMACA、數字化的RSSI/LQI和強大的DMA功能，具有電池監測和溫度感測功能。

CC2531全速USB接口的結構如圖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，其余5個為數據傳輸端點；

◆ 具有1 KB SRAM（FIFO）存儲USB數據包；

◆ 端口支持的數據包大小為8~512字節；

◆ 支持雙緩沖傳輸模式。


圖2 USB接口結構圖

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

3 USB通信的實現

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）。由于該設備為全速設備，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的需求，采用端點0作為控制端點，完成設備的枚舉和串口參數的設置。將端點2和端點4分配給數據接口子類，作為IN和OUT端點，虛擬串口的數據傳輸主要在這兩個端點進行。具體的配置如下：

currentLineCoding.dteRate=HAL_UART_BAUDRATE_115200;//波特率設置

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

currentLineCoding.parityType=CDC_PARITY_TYPE_NONE;//無奇偶校驗

currentLineCoding.dataBits=8;//8位數據

USBINDEX=0x02;//選擇端點2

USBCSIH=0x01; //方向：IN塊傳輸，雙緩沖模式

USBMAXI=0x20;//最大包數目 256字節（8字節為單位）

USBINDEX=0x04;//選擇端點4

USBCSOH=0x40;//方向：OUT等時傳輸，單緩沖模式

USBMAXO=0x20;//最大包數目 256字節（8字節為單位）

下面以IN端點2為例，說明數據如何通過USB接口傳遞到電腦上。當電腦發出IN請求時，如果USB端點2的FIFO非空，就向電腦發送FIFO里的內容；如果FIFO為空，則向電腦發送一個空包作為回應。CC2531通過寄存器位USBCSIL.INPKT_RDY來控制電腦和8051 MCU內核對USB的FIFO的使用權。當INPKT_RDY=1時，電腦正在對USB端口進行訪問，8051 MCU內核無法向FIFO內寫入數據；當INPKT_RDY=0時，8051 MCU內核可以將發送數據寫入FIFO內，置位INPKT_RDY=1,完成數據的上傳。其流程如圖4所示。


圖4 端點2數據流程

4 溫度采集的實現

采用CC2531作為溫度數據的匯聚節點，采用IEEE 802.15.4協議組成一個由10個采集終端組成的星狀網絡，對終端節點的溫度進行采集。終端節點硬件由CC2530實現，溫度傳感器采用DS18B20.上位機由Visual C++編寫，實現數據的實時顯示，并實現數據的存儲和歷史溫度查詢。CC2531的USB設備描述符里聲明PID=0x1000,VID=0x0451,UBS驅動采用Windows XP系統提供的usbser.sys.溫度采集結果如圖5所示。


圖5 溫度采集結果

結語

采用CC2531無線單片機，實現了基于USB接口的虛擬串口通信，并詳細介紹了基于CDC類的USB虛擬串口通信的實現。實驗結果表明，數據傳輸率滿足采用IEEE 802.15.4協議的低速無線傳感器網絡的要求，同時又避免了PC端驅動程序的開發，具有一定的實際意義。