USB转串口那些事儿—USB转串口工作原理及应用

一、简介

USB转串口即实现计算机USB接口到物理串口之间的转换。可以为没有串口的计算机或其他USB主机增加串口，使用USB转串口设备等于将传统的串口设备变成了即插即用的USB设备。

USB虚拟串口应用特点：

USB应用广泛，支持热插拔，传输速度快。

仿真标准串口，用于升级原串口设备，或通过USB增加额外串口。

串口应用程序完全兼容，无需修改。

支持各类操作系统，如：Windows/Linux/Android/macOS。

二、工作原理

USB主机检测到USB转串口设备插入后，首先会对设备复位，然后开始USB枚举过程。USB枚举时过程会获取设备描述符、配置描述符、接口描述符等。描述符中会包含USB设备的厂商ID，设备ID和Class类别等信息。操作系统会根据该信息为设备匹配相应的USB设备驱动。

USB虚拟串口的实现在系统上依赖于USB转串口驱动，一般由厂家直接提供，也可以使用操作系统自带的CDC类串口驱动等。驱动主要分为2个功能，其一注册USB设备驱动，完成对USB设备的控制与数据通讯，其二注册串口驱动，为串口应用层提供相应的实现方法。

串口收发对应的驱动数据流向：

串口发送

串口应用发送数据->USB串口驱动获取数据->驱动将数据经过USB通道发送给USB串口设备->USB串口设备接收到数据通过串口发送

串口接收

USB串口设备接收串口数据->将串口数据经过USB打包后上传给USB主机->USB串口驱动获取到通过USB上传的串口数据->驱动将数据保存在串口缓冲区提供给串口应用读取

三、应用场景

MCU下载

串口调试

嵌入式串口控制台

智能家居

打印办公

工业控制

门禁考勤

串口线缆

四、串口通信基础

当两个设备使用UART进行通信时，它们至少通过三根导线连接：TXD串口发送、RXD串口接收、GND。串口设备通过改变TXD信号线上的电压来发送数据，接收端通过检测RXD线上的电压来读取数据。

什么是串口通信

计算机一次传输信息（数据）一位或多个比特位。串行是指传输数据一次只传输一位。当进行串口通信时发送或者接收的每个字（即字节或字符）一次发送一位。每一位都是逻辑‘1’或者‘0’。也用Mark表示逻辑1，Space表示逻辑0。

串口数据速率使用 bits-per-second ("bps") 或者 baud rate ("baud")。这表示一秒内可以传输多少逻辑1和0。当波特率超过 1000，你会经常看到用Kbps表示的速率。对于超过 1000000 的速率一般用Mbps 来表示。

TTL串口

实际应用中，使用TTL电平逐渐成为趋势，在MCU与串口转接芯片提供的串口中比较常见，此时逻辑1电压值：+5V或+3.3V等，逻辑0电压值：0V（逻辑地）。

RS-232串口

RS-232 是由 EIA 定义的用于串口通信的标准电气接口。RS-232 实际上有三种不同的类型（A，B和C），每一种对于逻辑1和逻辑0，电平定义了不同的电压范围。最常用的种类是 RS-232C，它定义逻辑1电压范围：-3V~-12V 和逻辑0电压范围：+3V~+12V。

下面列举最为常见的 DB-9 接口分布图，引脚和功能描述如下所示：

                                                                        

 

其他还有RS-422以及 RS-485 串口标准。RS-422 使用更低电压与差分信号允许线缆长达 1000英尺（300m）。

常用串口信号定义

GND - 逻辑地

从技术上讲，逻辑接地不是信号，但没有它，其他信号就不能工作。从根本上说，逻辑地充当一个参考电压，从而知道哪些电压为正或负。

TXD - 发送数据

RXD - 接收数据

RTS - 请求发送

RTS设置为逻辑0电平表示己方准备好接收数据。一般与CTS一起用于串口流控，通常被设置为默认有效状态。

除流控功能外，RTS也可用作通用输出信号，输出高低电平。常用于单片机复位或串口下载电路。

CTS - 清除发送

CTS信号接收自串口线缆的另一端。信号线逻辑0电平表示己方可以发送数据。一般与RTS一起用于串口数据流控。

DTR - 数据终端就绪

DTR 信号用于通知对端计算机或设备己方已就绪（逻辑0电平）或未就绪（逻辑1电平）。DTR也可用作通用输出信号，输出高低电平。常用于单片机复位或串口下载电路。

串口波特率

波特率是指串口每秒钟传输的bit总数，如：9600波特率。表示1s传输9600个比特。1个比特所需时间为：1/9600 ≈ 0.104ms

串口异步通信

解析串口数据需要确定一个字符的结束与下一个字符的开始。

串口数据线空闲时保持在逻辑1状态直到有字符发送。每个字节起始位在前，字节的每一位紧随其后，一位可选校验位以及一位或者两位停止位。起始位始终是逻辑0，通知对方有新串口数据可用。数据可以同时发送和接收，因此称为“异步”。

偶校验：数据位加上校验位中的“1”的个数保持为偶数。

奇校验：数据位加上校验位中的“1”的个数保持为奇数。

空白校验：也称Space校验，校验位永远是0。

标志校验：也称Mark校验，校验位永远是1。

无校验：没有校验位存在或被传输。

剩下的位称作停止位。在字符之间可能会有 1，1.5 或者 2 位停止位并且这些位总为 1。异步数据格式通常表达成“8N1”，“7E1”等。

什么是全双工和半双工

全双工是指设备可以同时发送和接收数据，有两个独立数据通道（一路输入，一路输出）。

半双工是指设备不能同时发送和接收数据，这通常意味着只有一路可以通讯，如RS485串口。

串口流控

在两个串口设备间传输数据时经常有必要进行数据流控。这可能是受到中间串口通信线路、其中一个设备或者其他存储介质的限制。异步数据流控通常使用的有两种方法。

第一种方法通常称为“软件”流控，使用特殊字符开始（XON or DC1）或者停止（XOFF or DC3）数据流。这些字符定义参见 ASCII 码表。这些码值在传输文本信息时很有用，但不能在未经特殊编程时用于传输其他类型的信息。

第二种方法称作“硬件”流控，使用RTS和CTS信号线取代特殊字符。当接收方准备好接收数据时会将RTS置为逻辑0以请求对方发送数据，当未准备好时置为逻辑1，因此发送方会通过检测 CTS 电平状态判断是否可以发送数据。

使用硬件流控至少需要连接的信号线有GND、RXD、TXD、RTS、CTS。

使用软件流控只需要GND、RXD、TXD。

Break信号

通常情况下收发数据信号线保持在逻辑1状态直到传输一个新字节。如果信号拉低至逻辑0一段时间（各平台定义不同，通常是 1/4 到 1/2 秒）那么就说一个 break 条件满足。一个break信号有时用于复位通讯或者改变通讯硬件的操作模式，如MODEM。

五、各操作系统下串口使用

以USB转串口设备CH343为例（CDC类，可使用操作系统内置CDC驱动，也可以使用厂商提供的多功能VCP驱动），介绍USB虚拟串口在各平台下使用过程。

Windows系统

将USB设备接入电脑后，查看设备管理器，硬件驱动成功后显示如下（使用CDC串口驱动）：

使用厂商VCP串口驱动时：

Linux系统

通过shell命令“lsusb”确认usb串口设备是否被正常识别：

通过“ls /dev”确认插入前后串口设备节点ttyACM（CDC驱动模式下）或ttyUSB（VCP驱动模式下）是否生成；

也可通过“dmesg”查看内核消息日志，查看USB串口设备枚举过程及驱动加载过程：