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1、清华大学2012届毕业设计说明书毕业设计说明书基于CH341A的计算机与单片机通信技术研究 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012 年 6月基于CH341A的计算机与单片机通信技术研究摘要通用串行总线USB是PC体系中的一套全新的工业标准。通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)凭借其价格低廉、使用简单、协议灵活、接口标准化和易于端口扩展等优点，迅速占领了计算机外设接口领域的统治地位,它的应用已非常广泛。本课题的主要研究内容是：掌握USB通信协议及器件工作方式、利用AT89C51单片机控制CH341A接口芯片及周边电路、设计接口电路，最终通过USB
2、接口实现单片机与计算机之间的串行通信。本课题使用的USB接口芯片是南京沁恒电子公司的CH341A，所使用的驱动是用南京沁恒电子公司提供的驱动程序，完全保证了软硬件的可靠性、兼容性。关键词: USB接口，CH341A，串行通信，AT89C51Research Based on the CH341A the Computer Communicate with the MicrocontrollerAbstractThe Universal Serial Bus (USB) is specified to be an industry standard extension to the PC arc
3、hitecture. For the advantages of low cost，easy to use，protocol flexible，interface standardization and port easy to expand，USB (Universal Serial Bus) occupies the Predominant Position in the region of computer peripheral interface. It has become increasingly widespread in application.The main content
4、 of our task is:Study the specification of USB and master the way of how USB device works; use singlechip AT89C51 to handle CH341A and other chips; design the interface circuit and firmware, and finally realize Serial communication between the USB interface and the host operated on Windows though th
5、e USB cable.The USB controller we select is CH341A that is produced by Nanjing Qin constant company and the driver we installed is offered by Nanjing Qin constant company. So both the software and the hardware of the project is reliable and has good compatibility.Key words: USB interface ,CH341A,Ser
6、ial communication,AT89C51目 录1 绪论11.1课题研究背景11.2本论文工作及组织结构22 系统相关技术概论42.1 串口通信的基本知识42.2 USB接口技术概述112.3“自顶向下”的设计方法133 CH341A及USB转串口功能介绍153.1 CH341A概述153.2 CH341A异步串口特点153.3 CH341A功能配置163.4 CH341A异步串口时的引脚说明163.5 CH341A作为异步串口使用174 系统硬件设计194.1系统的结构与原理194.2 系统各模块设计204.3 硬件驱动程序安装245 系统软件设计255.1 系统软件整体设计思想25
7、5.2各功能模块软件程序256 总结32附录A 系统总原理图34附录B 程序流程图35附录C 程序清单38参考文献42致谢44第I页 共I页1 绪论1.1课题研究背景伴随着信息技术、数字技术和网络技术的发展，计算机、嵌入式系统等数字设备被广泛应用到生产、生活的各个领域，可以说无所不在1。在很多情况下，这些相对独立的系统之间要进行诸如工作状态状态、环境数据、控制信息等的传递，就是我们通常所说的通信。而串口通信具有连接简单，成本低，开发容易的优点，并且现有的微控制器一般都带有串行通讯的接口，因此，在实性要求不是很高，数据量不是很大的情况下，利用串口通信完成多机通讯成为了较为普遍的选择。当设备需要通
8、过串口与上位机进行信息的交换时，就必须进行接口转换2。另一方面，随着计算机硬件的飞速发展以及USB设备的迅速普及，USB接口已逐渐取代了串口和并口在计算机上的位置。这是由于USB接口有非常大的优势:传输速度快，目前最普及的USB2.0的最大传输速度达到了480Mbps3。一个USB接口在理论上可支持127个装置，极大的方便了计算机与外设的连接。USB还有一个最为显著的优点，那就是支持热插拔，在开机的情况下，你也可以安全地断开或连接USB设备4，真正达到即插即用的目的。正是这些优势，使得USB接口在计算机上迅速普及并挤占了并口和串口的位置。在工业场合中，考虑到易用性和成本因素，不可能为每个串口配
9、置一台电脑实现串口到USB的转换。这种情况下，USB只能应用在没有PC的领域中，这也正是目前USB的一个弱点。解决这一根本问题的办法就是在嵌入式系统中集成USB主机功能，使之能够和USB设备通信。本课题采用CH341A构建单片机与计算机之间的USB通讯电路。这种芯片的优点是数据接收和发送的协议转换工作全部由芯片独立完成，无需干预，也不用编写芯片的固件。CH341A是南京沁恒公司生产的USB总线转接芯片。当CH341A工作在异步串口模式时，CH341A提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总
10、线。利用USB接口作为该系统的通信接口，安装灵活、传输速度快、可靠性高、易于扩展；利用PC机完成数据分析与数据处理。CH341A作为一种新型的、功能强大的USB接口转换芯片，可以工作在多种模式，且接线简单、控制方便、使用灵活可满足用户的多种需求。（由于CH341A屏蔽了USB接13的底层协议，可以方便地在嵌入式系统中增加USB接13，无需电平转换器件，在驱动程序的控制下直接与PC机通讯。极大地方便了用户，缩短开发周期、减少研发费用）通用串行总线（USB）是一种应用前景非常广阔的新型串行接口总线。它具有使用方便、易于扩展和传输速率高的特点，广泛应用于各种中低速计算机外设及数字设备中，并在不断发展
11、完善之中。基于USB总线的数据传输方法有着其他方式所没有的高速与方便，因此有着很高的实际应用价值。1.2本论文工作及组织结构1.2.1主要的研究工作在充分调研和查阅大量资料之后，论文采用CH341A构建单片机与计算机之间的USB通讯电路。USB与串口的连接采用南京沁恒电子公司生产的USB转串口芯片CH341A来实现。具体而言本文主要做了以下工作:1)通过检索国内外相关资料，了解计算机与单片机通信技术及接口电路；2).了解研究基于CH341A的计算机与单片机通信的实际意义；3).研究CH341A的工作原理、结构、特性及功能；4).设计方案，使能根据任务要求完成简单的通讯及对单片机的控制；5).硬
12、件设计，完成各部分功能电路设计；6).编制、优化系统软件程序和流程图，采用模块化结构，编写各部分程序；7).各部分电路仿真，然后再对整个系统试验，看系统能否比较理想的完成指定任务；8).完成基于CH341A的计算机与单片机的通讯接口设计及相互间通讯研究。1.2.2论文的组织结构论文章节安排如下:第一章主要分析了课题研究的背景及意义，并介绍了论文的主要研究工作和组织结构。第二章介绍了系统相关技术，包括串口通信的原理与应用、USB通讯技术的原理与应用、USB与串口转换芯片的相关知识等知识。第三章介绍了CH341A的工作原理、结构、特性及功能及USB转串口功能。第四章从整体上对本课题设计阐述，论述系
13、统组成、工作原理、硬件架构介绍，确定了本课题的实现方式。第五章阐述了系统软件整体设计思想，并进行各功能模块软件程序设计。第六章对全文的研究工作进行了总结。2 系统相关技术概论2.1 串口通信的基本知识2.1.1 并行通信与串行通信微机的信息交换有两种方式进行：串行通信方式和并行通信方式。（一）串行通信所谓“串行通信”是指计算机和外设之间使用一条信号线(另外需要地线，可能还需要控制线)，数据在一根信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度5。如图2.1所示。这种通信方式使用的信号线少，在远距离通信中可以极大地节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输要慢。D0 D1 D2 D3
14、 D4 D5 D6 D7T图2.1串行传输示意图由于只是在接口与外设之间按串行方式传输，而在CPU与接口之间要按并行方式传输，所以，在串行接口中，必须要有“发送移位寄存器”(并串)和“接收移位寄存器”(串并)。典型的串行接口结构如2.2所示。在数据的输出过程中，CPU首先把要输出的数据并行地送入“数据输出寄存器”中，然后由“数据输出寄存器”送入“发送移位寄存器”，最后由“发送移位寄存器”把数据1位1位地发送给外设。“发送移位寄存器”的输出速度由“发送时钟”确定6。在数据的输入过程中，数据被1位1位地从外设送入接口的“接收移位寄存器”中，当“接收移位寄存器”中接收完1个字符后，“接收移位寄存器”把数据送入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取刚刚接收到的字符(D0-D7同时被CPU读至累加器中)。“接收时钟”的频率决定了“接收移位寄存器”的移位速度。能够完成上述“串并”转换功能的电路，通常称为“通用异步收发器”(UART:Universal Asynchronous Receiver and Transmitter),典型的芯片有:Intel 8250/8251,165507。状态寄存器控制寄存器数据寄存器输入串行输入并行输出并行输入串行输出数据输出寄存器CS数据
