USB虚拟串口设计

1、1搭寿瓶/幻成Henan University of Urban Construction毕业设计论文题 目： 基于STM32的USB虚拟串口学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化姓 名：学 号：指导老师：完成时间：2015年5月19日USB接口是最为简单的接口，它具有传输速度快、即插即用、端口扩展简单有 效等特点，在数据传输技术飞速发展的当代USB接口得到广泛的应用。越来越多的 电脑设备开始采用USB接口进行数据的传输，而通用异步串行通信口（简称串口或 者COM 口）是一种比较古老的串行通信口，在几年前的PC上，几乎是必备接口。 以前的设备与PC相连基本上都是用的COM 口，那么将设备移植到USB接口成为人 们研究的热门。本论文以USB通信设备类中的抽象控制模型为基础，对通信设备类及实现虚拟 设备的原理进行了研究，设计并实现了基于通信设备类的虚拟串口驱动程序。论文研究设计了基于STM32单片机的USB虚拟串口驱动程序的结构和实现方 案，该程序主要由通信命令转换和数据传输两部分构成，虚拟串口的实现技术在数据 传输方面进行了改进。论文的主要工作如下：1. 研究了 USB协议的请

2、求和传输模式，分析了通信设备类实现虚拟设备的方案。2. 给出了一种符合通信设备类中抽象控制模型的虚拟串口实现方案。该方案提供 了一种基于通信设备类开发虚拟设备的模板，对设计中的诸多问题进行了详细的说 明，并改进了虚拟串口驱动程序中数据的处理流程。3. 将改进后的数据处理流程是现在虚拟串口中，生成的一种基于通信设备类的虚 拟串口稳定、高速。最后，在串口测试软件下对虚拟串口驱动程序进行了测试，达到 了预期目标。关键字：通讯设备类，枚举过程，虚拟串口程序,抽象控制模型AbstractUSB interface is the most simple interface, it has the transmission speed, plug and play, port extension characteristics such as simple and effective, in rapid development of the contemporary USB data transmission technology has been widely used. More and mor

3、e computer equipment used USB interface for data transmission, and the universal asynchronous serial communication port (hereinafter referred to as a serial port or COM) is a relatively old serial communication port, in a few years ago on a PC, is almost a necessary interface. Before the equipment connected to the PC are basically use the COM, then transplanted device into the USB interface become a hot research.Abstract in this paper by USB communication device class control model, based on the

4、 communication device class and realize the principle of virtual device are studied, designed and implemented based on the virtual serial port communication device class driver.Thesis study design based on the STM32 MCU USB virtual serial port driver structure and implementation scheme of the program is mainly consisting of communication command conversion and data transmission, the implementation technologies of virtual serial port is improved in terms of data transmission. Papers main work is

5、as follows:1. to study the requests of USB protocol and transmission mode, analyzes the communication device class implementation scheme of virtual devices.2. presents a communication device class of control model of the implement of virtual serial port. This scheme provides a virtual device based on the communication device class development of templates, to account for the problems in detail in the design, and improve the virtual serial port driver in data processing.3. data processing of the

6、improved process is now in virtual serial port, the generated based on the virtual serial port communication device class stability, high speed. Finally, under the serial test software of virtual serial port driver was tested, and reached the anticipated goal.Keywords : Communication equipment Class ;The enumeration process;Abstract Control Model摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1 USB虚拟串口设计背景及其意义11.2 USB虚拟串口设计研究方法及目标21.3 USB虚拟串口设计国内外研究现状2第2章USB及串口简单介绍42.1 USB 简介42.2串口简介42.3 USB虚拟串口简介5第3章USB和USB CDC协议63.

7、1通用串行总线USB63.1.1 USB协议相关知识介绍63.1.2 USB协议枚举过程分析83.2 USB CDC 协议93.3 USB通信过程10第4章虚拟串口的实现124.1串口的工作原理124.2 USB虚拟串口设计134.2.1 STM32 USB 部分说明134.4.2 USB电路连接144.2.3虚拟串口程序设计15第5章结论18参考文献19致谢20附录：21第1章绪论1.1 USB虚拟串口设计背景及其意义USB作为一种计算机总线技术，在现在的计算机上已经是不可或缺的了。看看 我们身边的计算机外部设备，很多都是通过USB 口连接计算机的：键盘、鼠标、打 印机、数码相机、移动硬盘、优盘、移动光驱、扫描仪、MP3、MP4以及游戏手柄 等，还有一些我们不太常见的USB设备，例如一些带有USB 口协议的仪表仪器、烧 录机、开发用的调试器、USB网卡、USB耳机、USB话筒及USB电话，此外，还有 一些移动电话（手机）也具备USB 口。许许多多的外设似乎都是通过USB和计算机 相连的，可见USB是都么的强大。USB具有速度快，连接简单方便，可扩展性强，支持热插拔操作和标准统一的 特

8、点，所以才会被使用如此广泛。当前的个人主机都配备有好多USB接口。然而在 现代的工业设备中，许多的设备都是嵌入式系统，基本上都是采用最常用的标准外设 异步串行通信接口（串口），那么如何在没有串口的情况下得到串口数据，并完成数据 传输成为一个亟待解决的问题。通用异步串行通信口（串口）随着USB的流行已经慢慢开始退出历史舞台了。 但是很多的设备开发者，都喜欢使用串口与计算机进行通信，因为串口使用起来简单 方便。那么问题就来了，现在的PC上基本上都是USB 口没有串口，那么怎么跟设 备的串口进行连接通信呢？有没有办法可以在计算机上新增加串口呢？这是必须可 以的，通过使用PCI卡设计一个或者多个串口。当然，还可以通过USB 口模拟出串 口设备，因为USB也是一种总线，总线就可以连接不同的设备。所以我们就可以设 计一个USB转串口的器件来解决这个问题。这次设计的预期成果和市场上出现了一些USB转串口的芯片或者USB转串口数 据线相似，大致结构是为了实现USB接口转串口，所以数据线一端是USB 口，一端 是串口，在串口线段完成串口到USB协议的转换。USB接口在连接计算机的时候， 另一端串口端需要

9、被操作系统识别，这说明USB接口对用户基于串口的应用程序和 传统的串口调试工具是公开的，所以PC端的调试和应用程序不用做修改就可以被开 发者识别。由于这些器件的USB类不属标准的USB类，因此需要安装必要的驱动在 操作系统上。另外由于这些设备驱动不是操作系统自带的，而且需要多次转换在通信 阶段，调试会遇到问题限制USB串口器件的应用，因为在调试期间常常无法确定是 串口出了问题还是USB出了问题。设备通信类(Communication Device Class )是USB组织定义的一类专门给各种通 信设备使用的USB子类，是一种可以实现虚拟串口通信的协议。CDC类对实现USB 接口和串口之间的转换提供了一个很好的解决办法。而且CDC类是USB的一个子类， 操作系统默认提供此类驱动，故可以解决USB转串口类器件传输不稳定的问题。1.2 USB虚拟串口设计研究方法及目标本次设计所用到的是采用STM32来实现USB虚拟串口的。STM32系列控制器 具有低成本、低功耗、高性能的特点，它自身带的USB模块符合USB2.0规范和 OTG1.3规范，支持全速12Mbps和低速1.2Mbps两种模式。而且STM32官方封装了 很多库函数，对于编写USB驱动节省了很多时间。本文研究了 USB CDC协议并在 理解USB体系结构，在STM32平台上通过分析USB枚举过程实现了 USB虚拟串口， 达到了 USB与串口通信的预期目的。1.3 USB虚拟串口设计国内外研究现状国内的现开发设备控制芯片研究技术不高，只有中国台湾地区的许多公司可以生 产这种转换的设备，并提供功能齐全的开发接口和文档说明。国内集成电路的设计开 发公司的能力还有限，限于提供不太复杂的应用及单一产品中，并且在国内的市场占 有率还很小，目前正处于蓬勃发展的阶段。USB和串口之间的转换实现，有硬件实现和软件实现两种。硬件实现一般需要 设计专用的设备控制芯片。设备控制芯片分为通用设备控制器，定位于某几类US

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