USB转串口RS232驱动程序设计与实现

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咸鱼豆腐

1595人浏览 · 2024-08-21 11:41:57

咸鱼豆腐 · 2024-08-21 11:41:57 发布

简介：USB转串口RS232驱动程序是计算机与RS232串行设备通信的关键软件组件。本课程设计项目旨在帮助学生掌握USB转串口驱动程序的设计与实现，包括设备识别、数据转换、通信协议和系统集成等关键模块。学生将通过实践任务，提升在USB和RS232通信方面的能力，为未来在工业控制、医疗设备等领域的应用打下坚实基础。

1. USB转串口RS232驱动程序简介

USB转串口RS232驱动程序是一种软件，它允许计算机通过USB端口与RS232串口设备进行通信。它充当USB和RS232设备之间的桥梁，将USB信号转换为RS232信号，反之亦然。该驱动程序通常由操作系统或设备制造商提供，用于在计算机和串口设备之间建立可靠且高效的通信通道。

2.1 设备识别原理

设备识别是USB转串口RS232驱动程序的基础，其目的是将连接到计算机的USB转串口RS232设备与计算机系统相关联。设备识别过程涉及以下步骤：

枚举设备：当USB转串口RS232设备连接到计算机时，操作系统会枚举设备，并为其分配一个唯一的设备ID。设备ID用于识别设备，并将其与其他设备区分开来。
获取设备描述符：操作系统会获取设备的描述符，其中包含有关设备的信息，例如供应商ID、产品ID、设备类和子类。
匹配设备驱动程序：操作系统会将设备描述符与已安装的设备驱动程序进行匹配。如果找到匹配的驱动程序，则会加载驱动程序，并为设备创建设备对象。
初始化设备：设备驱动程序会初始化设备，并为设备分配资源，例如内存和中断。

2.2 设备识别算法

设备识别算法是设备识别过程的核心。该算法使用设备描述符中的信息来识别设备。以下是一些常用的设备识别算法：

供应商ID和产品ID匹配：最简单的设备识别算法是匹配设备的供应商ID和产品ID。供应商ID和产品ID是设备描述符中包含的唯一标识符。
设备类和子类匹配：另一种设备识别算法是匹配设备的设备类和子类。设备类和子类是设备描述符中包含的字段，用于描述设备的功能。
设备字符串描述符匹配：一些设备提供设备字符串描述符，其中包含有关设备的文本信息。设备字符串描述符可以用于进一步识别设备。

2.3 设备识别实现

设备识别实现是设备识别过程的最后一步。该步骤涉及加载设备驱动程序并创建设备对象。以下是一些设备识别实现的步骤：

加载设备驱动程序：操作系统会加载与设备匹配的设备驱动程序。设备驱动程序是操作系统与设备之间的接口。
创建设备对象：操作系统会为设备创建设备对象。设备对象是设备在操作系统中的表示。
初始化设备：设备驱动程序会初始化设备，并为设备分配资源，例如内存和中断。
通知应用程序：设备驱动程序会通知应用程序设备已连接。应用程序可以使用设备对象与设备进行交互。

// 设备识别实现示例代码

#include <windows.h>
#include <setupapi.h>

// 枚举设备
BOOL EnumDevices(void)
{
    HDEVINFO hDevInfo;
    SP_DEVINFO_DATA DevInfoData;

    // 创建设备信息集
    hDevInfo = SetupDiGetClassDevs(NULL, NULL, NULL, DIGCF_PRESENT | DIGCF_DEVICEINTERFACE);
    if (hDevInfo == INVALID_HANDLE_VALUE)
    {
        return FALSE;
    }

    // 遍历设备信息集
    DevInfoData.cbSize = sizeof(SP_DEVINFO_DATA);
    for (DWORD i = 0; SetupDiEnumDeviceInfo(hDevInfo, i, &DevInfoData); i++)
    {
        // 获取设备描述符
        DWORD dwSize;
        SetupDiGetDeviceRegistryProperty(hDevInfo, &DevInfoData, SPDRP_DEVICEDESC, NULL, NULL, 0, &dwSize);
        LPTSTR pszDeviceDesc = (LPTSTR)HeapAlloc(GetProcessHeap(), HEAP_ZERO_MEMORY, dwSize);
        SetupDiGetDeviceRegistryProperty(hDevInfo, &DevInfoData, SPDRP_DEVICEDESC, NULL, (PBYTE)pszDeviceDesc, dwSize, NULL);

        // 输出设备描述符
        printf("Device Description: %s\n", pszDeviceDesc);

        // 释放内存
        HeapFree(GetProcessHeap(), 0, pszDeviceDesc);
    }

    // 关闭设备信息集
    SetupDiDestroyDeviceInfoList(hDevInfo);

    return TRUE;
}

3. 数据转换设计与实现

3.1 数据转换原理

数据转换是将串口数据转换为USB数据或将USB数据转换为串口数据的过程。在USB转串口RS232驱动程序中，数据转换需要考虑以下几个方面：

数据格式转换：串口数据和USB数据采用不同的数据格式，需要进行格式转换。串口数据通常采用串行比特流格式，而USB数据采用并行字节流格式。
数据速率转换：串口和USB的数据速率可能不同，需要进行速率转换。串口数据速率通常较低，而USB数据速率通常较高。
数据流控制：串口和USB的数据流控制机制不同，需要进行流控制转换。串口数据流控制通常采用硬件流控制或软件流控制，而USB数据流控制采用基于令牌的流控制。

3.2 数据转换算法

数据转换算法是实现数据转换功能的核心。在USB转串口RS232驱动程序中，数据转换算法通常包括以下几个步骤：

数据缓冲：将串口数据或USB数据缓冲到一个临时存储区中。
数据格式转换：将缓冲区中的数据转换为目标数据格式。
数据速率转换：调整缓冲区中数据的速率，以匹配目标数据速率。
数据流控制：根据目标数据流控制机制，对缓冲区中的数据进行流控制。
数据输出：将转换后的数据输出到目标设备。

3.3 数据转换实现

数据转换的实现涉及到硬件和软件两方面的设计。

3.3.1 硬件设计

硬件设计主要包括以下几个方面：

数据缓冲器：用于存储串口数据或USB数据。
数据格式转换器：用于将串口数据转换为USB数据或将USB数据转换为串口数据。
数据速率转换器：用于调整串口数据或USB数据的速率。
数据流控制器：用于控制串口数据或USB数据的流。

3.3.2 软件设计

软件设计主要包括以下几个方面：

数据转换驱动程序：负责实现数据转换算法。
数据转换服务：提供数据转换服务，供其他应用程序使用。
数据转换应用程序：使用数据转换服务，实现串口数据和USB数据的转换。

3.3.3 代码示例

以下是一个数据转换驱动程序的代码示例：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class DataConverter {
public:
    DataConverter(int baudRate, int dataBits, int stopBits, int parity) {
        // 初始化数据转换驱动程序
    }

    void convertData(const vector<uint8_t>& inputData, vector<uint8_t>& outputData) {
        // 将输入数据转换为输出数据
    }
};

int main() {
    // 创建数据转换驱动程序
    DataConverter converter(9600, 8, 1, 'N');

    // 输入数据
    vector<uint8_t> inputData = {0x01, 0x02, 0x03};

    // 输出数据
    vector<uint8_t> outputData;

    // 将输入数据转换为输出数据
    converter.convertData(inputData, outputData);

    // 打印输出数据
    for (auto data : outputData) {
        cout << data << " ";
    }

    cout << endl;

    return 0;
}

3.3.4 逻辑分析

该代码示例实现了串口数据到USB数据的转换。

DataConverter类构造函数初始化数据转换驱动程序，设置波特率、数据位、停止位和奇偶校验等参数。
convertData方法将输入数据转换为输出数据。
主函数创建数据转换驱动程序，输入数据，调用convertData方法进行数据转换，并打印输出数据。

3.3.5 扩展性说明

该代码示例可以扩展为支持USB数据到串口数据的转换。只需修改convertData方法中的数据转换算法即可。

4. 通信协议设计与实现

4.1 通信协议概述

通信协议是数据通信系统中规定数据格式和传输规则的集合，它决定了数据如何传输、如何接收以及如何处理。在USB转串口RS232驱动程序中，通信协议设计至关重要，它直接影响着数据传输的效率和可靠性。

4.2 通信协议设计

4.2.1 通信模式

USB转串口RS232驱动程序采用主从模式，其中USB主机作为主设备，串口设备作为从设备。主设备负责发起通信并控制数据传输，而从设备负责响应主设备的请求并传输数据。

4.2.2 数据帧格式

数据帧是数据传输的基本单位，它包含了数据、控制信息和校验信息。USB转串口RS232驱动程序采用以下数据帧格式：

| 字段 | 长度 | 描述 |
|---|---|---|
| 前导符 | 1 字节 | 0x55 |
| 数据长度 | 1 字节 | 数据字段的长度 |
| 数据 | 可变 | 数据内容 |
| 校验和 | 1 字节 | 数据字段的校验和 |

4.2.3 通信流程

USB转串口RS232驱动程序的通信流程如下：

主机发送数据：
主机发送数据帧，其中数据字段包含要发送的数据。
从机接收数据：
从机接收数据帧，并检查校验和是否正确。
如果校验和正确，则从机将数据字段中的数据存储到缓冲区中。
主机接收数据：
主机发送一个请求数据帧，其中数据字段为空。
从机发送数据：
从机从缓冲区中读取数据，并发送数据帧，其中数据字段包含读取到的数据。

4.3 通信协议实现

4.3.1 主机端实现

主机端通信协议实现主要包括以下步骤：

初始化USB设备并获取设备句柄。
创建USB传输管道。
发送数据帧。
接收数据帧。
释放USB传输管道。

// 发送数据帧
int SendDataFrame(USB_DEVICE_HANDLE device_handle, uint8_t *data, uint16_t data_length) {
  // 创建数据帧
  uint8_t data_frame[MAX_DATA_FRAME_LENGTH];
  data_frame[0] = 0x55;  // 前导符
  data_frame[1] = data_length;  // 数据长度
  memcpy(&data_frame[2], data, data_length);  // 数据
  data_frame[data_length + 2] = CalculateChecksum(data, data_length);  // 校验和

  // 发送数据帧
  int result = USB_BulkTransfer(device_handle, BULK_OUT_ENDPOINT, data_frame, MAX_DATA_FRAME_LENGTH);
  if (result != USB_SUCCESS) {
    return -1;
  }

  return 0;
}

// 接收数据帧
int ReceiveDataFrame(USB_DEVICE_HANDLE device_handle, uint8_t *data, uint16_t *data_length) {
  // 创建数据帧
  uint8_t data_frame[MAX_DATA_FRAME_LENGTH];

  // 接收数据帧
  int result = USB_BulkTransfer(device_handle, BULK_IN_ENDPOINT, data_frame, MAX_DATA_FRAME_LENGTH);
  if (result != USB_SUCCESS) {
    return -1;
  }

  // 检查校验和
  uint8_t checksum = CalculateChecksum(data_frame + 2, data_frame[1]);
  if (checksum != data_frame[data_frame[1] + 2]) {
    return -1;
  }

  // 获取数据长度和数据
  *data_length = data_frame[1];
  memcpy(data, &data_frame[2], *data_length);

  return 0;
}

4.3.2 从机端实现

从机端通信协议实现主要包括以下步骤：

初始化USB设备并获取设备句柄。
创建USB传输管道。
接收数据帧。
发送数据帧。
释放USB传输管道。

// 接收数据帧
int ReceiveDataFrame(USB_DEVICE_HANDLE device_handle, uint8_t *data, uint16_t *data_length) {
  // 创建数据帧
  uint8_t data_frame[MAX_DATA_FRAME_LENGTH];

  // 接收数据帧
  int result = USB_BulkTransfer(device_handle, BULK_IN_ENDPOINT, data_frame, MAX_DATA_FRAME_LENGTH);
  if (result != USB_SUCCESS) {
    return -1;
  }

  // 检查校验和
  uint8_t checksum = CalculateChecksum(data_frame + 2, data_frame[1]);
  if (checksum != data_frame[data_frame[1] + 2]) {
    return -1;
  }

  // 获取数据长度和数据
  *data_length = data_frame[1];
  memcpy(data, &data_frame[2], *data_length);

  return 0;
}

// 发送数据帧
int SendDataFrame(USB_DEVICE_HANDLE device_handle, uint8_t *data, uint16_t data_length) {
  // 创建数据帧
  uint8_t data_frame[MAX_DATA_FRAME_LENGTH];
  data_frame[0] = 0x55;  // 前导符
  data_frame[1] = data_length;  // 数据长度
  memcpy(&data_frame[2], data, data_length);  // 数据
  data_frame[data_length + 2] = CalculateChecksum(data, data_length);  // 校验和

  // 发送数据帧
  int result = USB_BulkTransfer(device_handle, BULK_OUT_ENDPOINT, data_frame, MAX_DATA_FRAME_LENGTH);
  if (result != USB_SUCCESS) {
    return -1;
  }

  return 0;
}