USB技術(shù)在情報(bào)指揮系統(tǒng)維修模擬器中的應(yīng)用

摘要：情報(bào)指揮系統(tǒng)維修模擬訓(xùn)練器中采用USB作為計(jì)算機(jī)與仿真單體的接口，本文從工作原理、硬件設(shè)計(jì)、固件程序、主機(jī)程序和驅(qū)動(dòng)程序五個(gè)方面論述了USB接口的開發(fā)過程，并給出了基于控制傳輸?shù)腢SB系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞：USB；控制傳輸；固件；驅(qū)動(dòng)

1、工作原理

情報(bào)指揮系統(tǒng)維修模擬訓(xùn)練器屬于分布式仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，各仿真節(jié)點(diǎn)由單體計(jì)算機(jī)和仿真單體組成，仿真網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)，主控機(jī)用于集中配置各單體參數(shù)，觸摸屏用于模擬操作界面。因?yàn)閁SB總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、即插即用、低功耗、廣泛的軟硬件支持等優(yōu)點(diǎn)，傳輸速度也從USB1.1協(xié)議支持的12Mbps 發(fā)展到了USB2.0協(xié)議支持的480Mbps，另外其星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能支持多達(dá)127個(gè)外設(shè)同時(shí)工作，所以本系統(tǒng)采用USB總線來實(shí)現(xiàn)單體計(jì)算機(jī)和仿真單體之間的控制和通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

1．1          USB的枚舉與重枚舉

USB芯片具有軟特性，外設(shè)可以利用USB接口從主機(jī)下載8051程序代碼到內(nèi)部RAM運(yùn)行，而不需要外部程序存儲(chǔ)器，方便了固件調(diào)試和升級(jí)。為支持這種軟特性，USB將端點(diǎn)0作為默認(rèn)地址，外設(shè)初次連接主機(jī)時(shí)作為默認(rèn)設(shè)備使用端點(diǎn)0進(jìn)行自動(dòng)枚舉，當(dāng)固件下載到內(nèi)部RAM后，經(jīng)過重枚舉使外設(shè)具有用戶在固件中設(shè)置的功能屬性。

外設(shè)和主機(jī)連接時(shí)會(huì)自動(dòng)加載驅(qū)動(dòng)程序，加載什么驅(qū)動(dòng)程序由USB設(shè)備描述符中的VID（2個(gè)字節(jié)）和PID（2個(gè)字節(jié)）決定，默認(rèn)設(shè)備的VID和PID是0547和2131。當(dāng)有多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作時(shí)，需要不同的VID和PID加以區(qū)分，可利用EEPROM來存儲(chǔ)外設(shè)的VID和PID信息，以便加載對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

1．2          USB傳輸類型

USB定義了控制、中斷、批量和同步四種數(shù)據(jù)傳輸類型?？刂苽鬏斒亲顝?fù)雜和重要的傳輸類型，也是USB枚舉階段最主要的數(shù)據(jù)交換方式。USB設(shè)備初次連到主機(jī)后就是通過控制傳輸來讀取地址信息和設(shè)備描述符的，這樣主機(jī)才能識(shí)別設(shè)備并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，其它三種傳輸方式也才能夠得以使用。因此，控制傳輸是其它三種傳輸?shù)那疤岷突A(chǔ)。

中斷傳輸主要用于數(shù)據(jù)量小、速度要求不高的數(shù)據(jù)傳輸，如鼠標(biāo)、鍵盤等；批量傳輸主要用于大容量數(shù)據(jù)的傳輸，比如硬盤接口、刻錄機(jī)接口等；同步傳輸多用于音頻流等需要恒定傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸，比如音箱、顯示器的接口等。

在維修模擬訓(xùn)練器中，單體計(jì)算機(jī)和仿真單體之間傳輸?shù)闹饕强刂菩畔?，?shù)據(jù)量不大，因此主要采用控制傳輸。

2、 USB硬件電路設(shè)計(jì)

USB硬件電路的核心是USB芯片，本電路采用的是Cypress公司提供的AN2131QC，封裝形式為80引腳PQFP。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，USB收發(fā)器與USB總線的 D+和D-相連，串行接口引擎對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼，并執(zhí)行錯(cuò)誤更正、位填充等操作，最后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)到端口或從端口接收數(shù)據(jù)字節(jié)。內(nèi)部微處理器是一個(gè)改進(jìn)的8051內(nèi)核，使用標(biāo)準(zhǔn)的8051指令系統(tǒng)，但執(zhí)行速度更快，功能更強(qiáng)，與標(biāo)準(zhǔn)8051相比具有以下不同：

（1）一個(gè)總線周期包含4個(gè)時(shí)鐘周期，空閑周期被消去，而標(biāo)準(zhǔn)8051則為12個(gè)時(shí)鐘周期，因此速度提高了3倍；

（2）增加了第二個(gè)數(shù)據(jù)指針；

（3）增加了第二個(gè)UART；

（4）增加了第三個(gè)16位定時(shí)器；

（5）非多路復(fù)用的16位地址總線；

（6）增加了8個(gè)中斷。

設(shè)計(jì)AN2131QC的外圍電路時(shí)，要注意以下幾個(gè)問題：

（1）AN2131QC有總線供電和外部供電兩種供電方式，主機(jī)可以向外圍USB設(shè)備提供最大500mA的電流，當(dāng)USB設(shè)備耗電小于500mA時(shí)就可以使用總線供電。AN2131QC的工作電壓是+3.3V，總線提供的電壓是+5V，可以用電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX882或AMS1117進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。電源引腳2、21、22、42、62都接+3.3V，并通過一個(gè)0.1uF電容接地，使電壓更加穩(wěn)定。引腳5、6、13、14、72通過 1K電阻接地。

（2）USBD+和USBD-通過24Ω電阻接到USB總線的D+和D-，可抑制噪聲干擾。

（3）Xin（19）和Xout（20）之間接12MHz晶振，并通過兩個(gè)30pF電容接地。

（4）Reset(25)引腳通過0.1uF電容接+3.3V，10K電阻接地。

（5）SDA(64)、SCL(65)、Wakeup(66)、WR(40)、RD(41)通過10K上拉電阻接+3.3V。

3、 固件程序

USB固件程序用Keil C編寫，使用Keil uVision編譯器進(jìn)行編譯調(diào)試。一個(gè)USB固件主要包括以下文件：

Fw.c：固件框架源文件，main()函數(shù)就位于該文件中；

Periph.c：用戶函數(shù)定義，用戶初始化函數(shù)TD_Init()和用戶函數(shù)TD_Poll()的定義就位于該文件中；

Dscr.a51：USB描述符表，對(duì)加載驅(qū)動(dòng)程序有重要意義的VID和PID信息就位于該文件的設(shè)備描述符中；

Ezusb.lib：EZ-USB固件函數(shù)庫；

USBJmpTb.OBJ：中斷向量和跳轉(zhuǎn)表。

Ezusb.h、Ezregs.h：編寫程序時(shí)必須包括的頭文件，前者包含USB函數(shù)庫的常量定義、宏定義、全局變量聲明和函數(shù)原型等，后者包含位標(biāo)志定義和寄存器變量聲明。

固件程序的運(yùn)行流程如圖3所示，USB上電復(fù)位后進(jìn)入main()函數(shù)先初始化內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init()。從該函數(shù)返回后使能中斷，然后每隔1s進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉直到端點(diǎn)0接受到主機(jī)的SETUP數(shù)據(jù)包。檢測(cè)到SETUP包后開始任務(wù)調(diào)度，任務(wù)調(diào)度的步驟如下：

（1）調(diào)用用戶函數(shù)SetupCommand()，判斷是否受到SETUP包；

（2）分析判斷SETUP包，如果是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求命令則執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，如果是用戶請(qǐng)求命令則調(diào)用TD_Poll()進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并反饋給主機(jī)結(jié)果；

（3）判斷是否收到USB掛起信號(hào)，收到則調(diào)用TD_Suspend()。從該函數(shù)返回后再檢測(cè)是否發(fā)生USB喚醒事件，未檢測(cè)到則處理器進(jìn)入掛起狀態(tài)，否則調(diào)用TD_Resume()，程序繼續(xù)運(yùn)行。

 需要用戶自己編寫的代碼主要包括TD_Init()、TD_Poll()。在本系統(tǒng)中，TD_Init()主要完成端點(diǎn)的選擇和配置，以及外圍器件的初始化。TD_Poll()將根據(jù)接收的主機(jī)命令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后將處理結(jié)果或狀態(tài)信息反饋給主機(jī)。

4、 主機(jī)程序

主機(jī)程序主要用于發(fā)送用戶命令和參數(shù)，接收USB設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和處理結(jié)果。本系統(tǒng)的主機(jī)程序用VC++6.0編寫實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴捎玫氖强刂苽鬏敚玫降闹饕瘮?shù)是CreateFile()和DeviceIoControl()。前者用于獲得設(shè)備句柄，其本質(zhì)是先由設(shè)備驅(qū)動(dòng)器生成一個(gè)句柄，然后將這個(gè)句柄分配給外設(shè)。獲得設(shè)備句柄后，用DeviceIoControl()對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫。主要程序代碼如下：

DeviceHANDLE=CreateFile(".ezusb-0",

                          GENERIC_WRITE,

                          FILE_SHARE_WRITE,

                          NULL,

                          OPEN_EXISTING,

                          0,

                          NULL);

If (DeviceHANDLE==INVALID_HANDLE_VALUE)

MessageBox("無法創(chuàng)建設(shè)備","Information Box",MB_OK|MB_ICONINFORMATION);

else

bResult=DeviceIoControl(DeviceHANDLE,

                                    IOCTL_EZUSB_VENDOR_OR_CLASS_REQUEST,

                             &myrequest,

                                    sizeof(VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL),

                             returndata,

                             n,

                             &nBytes,

                             NULL);

在本系統(tǒng)中，主機(jī)發(fā)送給外設(shè)最多的是VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL類型的請(qǐng)求，其結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef  struct _VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL

{

   UCHAR direction;      //傳輸方向，0為主機(jī)到設(shè)備，1為設(shè)備到主機(jī)

   UCHAR requestType;   //請(qǐng)求類型，0為用戶，1為類

   UCHAR recepient;     //接收者類型，0為設(shè)備，1為接口，2為端點(diǎn)，3為其他

   UCHAR requestTypeReservedBits; 

   UCHAR request;    

   USHORT value;     

   USHORT index;     

};

其中后四個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)于設(shè)備請(qǐng)求命令的bRequestType、bRequest、wValue和wIndex（具體定義參考文獻(xiàn)[1]），因?yàn)榘l(fā)送的是用戶自己的設(shè)備請(qǐng)求命令而非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求命令，所以bRequestType的值可設(shè)為0；且bRequest的值不能與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求命令的bRequest值相沖突；雙字節(jié)的value和index可用來傳遞主機(jī)給USB設(shè)備的參數(shù)。

5、 驅(qū)動(dòng)程序

要實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的固件下載和重枚舉需要編寫兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，通用驅(qū)動(dòng)（GPD）和固件裝載驅(qū)動(dòng)。前者完成主機(jī)與外設(shè)的通信和控制，一般不用重新編寫，可直接采用Cypress公司提供的ezusb.sys。后者負(fù)責(zé)在外設(shè)連到主機(jī)時(shí)將正確的驅(qū)動(dòng)程序裝載到AN2131QC的RAM中，完成對(duì)外設(shè)的重新設(shè)置。主機(jī)根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動(dòng)，重新枚舉外設(shè)為一個(gè)新的USB設(shè)備。固件裝載驅(qū)動(dòng)的開發(fā)過程如下：

（1）新建一個(gè)目錄dev_io，將Cypressusbdriversezloader目錄下的文件復(fù)制到該目錄下。

（2）打開該目錄下的sources文件，將TARGETNAME=ezloader改為TARGETNAME=dev_io。

（3）利用hex2c將dev_io.hex轉(zhuǎn)換為dev_io.c： hex2c  dev_io.hex  dev_io.c

（4）將fireware.c中的fireware[]數(shù)組用dev_io.c中的fireware[]數(shù)組替換。

（5）進(jìn)入C:NTDDKBIN目錄，在命令行方式下鍵入SETENV C:NTDDK回車，此時(shí)顯示設(shè)置環(huán)境完成，然后返回dev_io運(yùn)行BUILD  –c，這時(shí)會(huì)在dev_iolibi386free或checked目錄下生成我們需要的固件裝載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將該驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到c:windowssystem32drivers目錄下。

（6）為了使該驅(qū)動(dòng)程序正確工作，必須為它寫一個(gè)安裝信息文件，即.inf文件。它將設(shè)備的VID和PID綁定到特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上?？煞抡臻_發(fā)包提供的inf文件編寫，具體步驟參見文獻(xiàn)[5]。

6、結(jié)束語

本文從工作原理、硬件設(shè)計(jì)、固件程序、主機(jī)程序和驅(qū)動(dòng)程序五個(gè)方面系統(tǒng)論述了情報(bào)指揮系統(tǒng)維修模擬訓(xùn)練器中USB接口開發(fā)的全過程，并給出了基于控制傳輸?shù)腢SB系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為今后的維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)提供了一種規(guī)范、快捷的接口設(shè)計(jì)方法。

本文的創(chuàng)新觀點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：1、與傳統(tǒng)的VXI、PXI等總線相比，在情報(bào)指揮系統(tǒng)維修模擬訓(xùn)練器中采用USB總線作為仿真單體和單體計(jì)算機(jī)之間的接口能簡(jiǎn)化硬件，即插即用，使仿真單體具有便攜能力。2、USB接口支持多達(dá)127個(gè)外設(shè)的能力使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的單體擴(kuò)展能力，而且支持多個(gè)單體同時(shí)工作。

參考文獻(xiàn)

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[5] Cypress Semiconductor Corporation, EZLOADER Design Notes, 98.5；