摘 要：USB通用串行總線是計算機外設(shè)接口的發(fā)展趨勢,將逐漸取代PC機上的RS-232協(xié)議串口, 因此很多傳統(tǒng)的RS-232接口設(shè)備都將面臨一個向USB接口轉(zhuǎn)換的問題.本文以IC卡門禁考勤系統(tǒng)為 例,提出一種方案,使傳統(tǒng)的RS-232接口轉(zhuǎn)化為USB接口后直接通過USB總線接入PC, 同時使IC卡 門禁考勤設(shè)備增加了USB總線具有的熱插拔、自動配置和智能電源管理等功能;著重剖析USB通信 內(nèi)核,探討系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案. 關(guān)鍵詞：USB;終端;人機接口設(shè)備(HID);列舉
一、引言 USB作為一種新的PC機互連協(xié)議,使外設(shè)到計算機的連接更加高效、便利.這種接口適合于多種設(shè) 備,不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點,還能同時連接多達127個設(shè)備,解決了如資源 沖突、中斷請求(IRQs)和直接數(shù)據(jù)通道(DMAs)等問題.因此,越來越多的開發(fā)者欲在自己的產(chǎn) 品中使用這種標(biāo)準(zhǔn)接口.而RS-232是單個設(shè)備接入計算機時,常采用的一種接入方式,其硬件實現(xiàn) 簡單, 因此在傳統(tǒng)的設(shè)備中有很多采用了這種通信方式. 一般的IC卡門禁考勤系統(tǒng)也使用RS-232 接口與PC機通信.如果將USB技術(shù)應(yīng)用于IC卡門禁考勤系統(tǒng)與PC機之間的數(shù)據(jù)通信,這樣,不僅能 使IC卡門禁考勤設(shè)備具備USB通信的諸多優(yōu)點,而且對PC機而言還可以節(jié)余1個RS-232串口為其它通 信所用.
二、USB系統(tǒng)概述 USB規(guī)范描述了總線特性、協(xié)議定義、編程接口以及其它設(shè)計和構(gòu)建系統(tǒng)時所要求的特性.USB是一 種主從總線,工作時USB主機處于主模式,設(shè)備處于從模式.USB系統(tǒng)所需要的唯一的系統(tǒng)資源是, USB系統(tǒng)軟件所使用的內(nèi)存空間、USB主控制器所使用的內(nèi)存地址空間(I/O地址空間)和中斷請求(IRQ)線.USB設(shè)備可以是功能性的,如顯示器、鼠標(biāo)或者集線器之類.它們可以作低速或者高速設(shè) 備實現(xiàn).低速設(shè)備最大速率限制在1.5 Mb/s,每一個設(shè)備有一些專有寄存器,也就是端點(endpoint) 在進行數(shù)據(jù)交換時,可以通過設(shè)備驅(qū)動間接訪問它.每一個端點支持幾種特殊的傳輸類型,并且有 一個唯一的地址和傳輸方向.不同的是端點0 僅用作控制傳輸,并且其傳輸可以是雙向的. 系統(tǒng)上電后,USB主機負(fù)責(zé)檢測設(shè)備的連接與拆除、初始化設(shè)備的列舉過程,并根據(jù)設(shè)備描述表安 裝設(shè)備驅(qū)動后自動重新配置系統(tǒng),收集每個設(shè)備的狀態(tài)信息.設(shè)備描述表標(biāo)識了設(shè)備的屬性、特征 并描述了設(shè)備的通信要求.USB主機根據(jù)這些信息配置設(shè)備、查找驅(qū)動,并且與設(shè)備通信. 典型的USB數(shù)據(jù)傳輸是由設(shè)備驅(qū)動開始的,當(dāng)它需要與設(shè)備通信時,設(shè)備驅(qū)動提供內(nèi)存緩沖區(qū),用 來存放設(shè)備收到或者即將發(fā)送的數(shù)據(jù).USB驅(qū)動提供USB設(shè)備驅(qū)動和USB主控制器之間的接口,并將 傳輸請求轉(zhuǎn)化為USB事務(wù),轉(zhuǎn)化時需要與帶寬要求及協(xié)議結(jié)構(gòu)保持一致.某些傳輸是由大塊數(shù)據(jù)構(gòu) 成的,這時需要先將它劃分為幾個事物再進行傳輸. 具有相似功能的設(shè)備可以組成一類,這樣便于分享共有的特性和使用共同的設(shè)備驅(qū)動程序.每個類 可以定義其自己的描述符,如：HID類描述符和 Report描述符.HID類是由人控制計算機系統(tǒng)的設(shè) 備組成的,它定義了一個描述HID設(shè)備的結(jié)構(gòu),并且表明了設(shè)備的通信要求.HID設(shè)備描述符必須支 持端點輸入中斷,固件也必須包括一個報告描述符,表明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的格式.在IC卡門禁考勤 系統(tǒng)引入RS-232到USB的接口轉(zhuǎn)換模塊后,從系統(tǒng)所具有的特性來看,應(yīng)該屬于HID設(shè)備.因此,兩 種特殊的HID類請求必須被支持：SetReport和GetReport .這些請求使設(shè)備能接收和發(fā)送一般的設(shè) 備信息給主機.在沒有中斷輸出終端時,SetReport是主機發(fā)送數(shù)據(jù)給HID設(shè)備的唯一方式.
三、系統(tǒng)要求 為了實現(xiàn)IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS-232-USB的接口轉(zhuǎn)換,需要1臺支持USB的主機,同時還要提供主機 上用于與外設(shè)通信的驅(qū)動,一般由操作系統(tǒng)提供.此外,還需開發(fā)在主機上執(zhí)行的客戶端應(yīng)用程序. 在設(shè)備端,需要提供具有USB接口的主控制器芯片,以及編寫主控制器上執(zhí)行的USB通信代碼和用于 執(zhí)行外設(shè)功能的相關(guān)代碼.
1、主機要求
主機必須能夠通過設(shè)備驅(qū)動接收USB數(shù)據(jù),并且使這些數(shù)據(jù)對處理這些請求的應(yīng)用程序有效.在主 機中必須有一個驅(qū)動負(fù)責(zé)處理USB傳輸、辨識設(shè)備、向USB設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù);同時,還需要有一個設(shè)備 驅(qū)動-虛擬化串行口,仿效真實的串口.這個驅(qū)動必須能夠像真實的串口接收和發(fā)送USB數(shù)據(jù).
從應(yīng)用的觀點,設(shè)備驅(qū)動必須能收發(fā)數(shù)據(jù),可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉(zhuǎn)化為USB 數(shù)據(jù) 實現(xiàn).微軟提供了一個叫作USB POS的設(shè)備驅(qū)動,它允許應(yīng)用程序訪問USB設(shè)備時,好像它們連接到 標(biāo)準(zhǔn)串口上一樣.系統(tǒng)大致結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示.
2、設(shè)備要求
在定義即將使用的微控制器時,必須說明一些通信要求,如:通信速率、頻率、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量等.考 慮到IC卡門禁考勤系統(tǒng)有效的通信速率,可以把轉(zhuǎn)換器作為一個低速的設(shè)備使用,低速設(shè)備通信 速度可以在10~100 Kb/s的范圍變化.考慮到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和傳輸?shù)念l率, 此系統(tǒng)中使用中斷的 傳輸類型.中斷傳輸可以在2個方向進行,但不能同時進行,這種類型的傳輸要求在規(guī)定的時間里 完成相當(dāng)大數(shù)據(jù)量的傳輸任務(wù).
對于轉(zhuǎn)換模塊,它可以用于PC機的數(shù)據(jù)收發(fā),操作系統(tǒng)提供了HID驅(qū)動, 允許使用中斷傳輸模式.對于低速設(shè)備的一個事務(wù),中斷傳輸最大的包容量是 8字節(jié),如果需要發(fā)送大量的數(shù)據(jù).則必須把 它分割為很多事務(wù).
轉(zhuǎn)換模塊要定義的另一個特性是所需端點數(shù).如上所述, 端點是微控制器在USB通信過程中所用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū).此系統(tǒng)中,該轉(zhuǎn)換器定義了2個端點：一個端點(端點0)用來控制 傳輸,另一個端點是中斷輸入端點,定義為發(fā)數(shù)據(jù)給PC機.
根據(jù)以上要求,通過研究比較現(xiàn)有的微控制器,考慮到如內(nèi)存空間、價格和開發(fā)包等因素,我們選用 Cypress家族的一種8位RISC微控制器CY7C634XX/5XX.它使用哈佛總線結(jié)構(gòu),是對較高 I/O要求的低 速應(yīng)用設(shè)備的低價解決方案.
圖2為IC卡門禁考勤系統(tǒng)USB通信實現(xiàn)硬件方框原理圖.
四、軟件設(shè)計和執(zhí)行
系統(tǒng)軟件由6部分組成:定義描述符、設(shè)備檢測和列舉、端點中斷服務(wù)程序、USB數(shù)據(jù)交換模塊、串行口數(shù)據(jù)交換模塊、USB/Serial模塊接口. 下面簡要描述其中部分模塊程序的功能和實現(xiàn)思想.
1、描述符定義
描述符是數(shù)據(jù)結(jié)果或信息的格式化塊,它可以使主機知道這個設(shè)備.每個描述符包含了這個設(shè)備整體的信息或者某個元素的信息.所有的USB外設(shè)必須響應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)的USB描述符的請求.
該系統(tǒng)中使用了1個接口和2個終端(控制和中斷輸入).由于受Win98的限制還不能使用中斷輸出終端,因此為了解決這個問題,我們通過在端點0中使用SetReport傳輸PC機欲送往IC卡門禁考勤設(shè)備的數(shù) 據(jù).
數(shù)據(jù)接收是在Output Reports中完成的.它根據(jù)送往IC卡門禁考勤設(shè)備最大的數(shù)據(jù)量,系統(tǒng)定義為16K個8位域.發(fā)送數(shù)據(jù)給主機是在輸入報告中完成的,它是8K個8位域.
2、設(shè)備檢測和列舉
當(dāng)1個USB人機接口類(HID)設(shè)備第一次連接到總線,它將被總線供電但仍然非功能性等待1個總線 復(fù)位.D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設(shè)備,主機也同時知道了新連接的USB設(shè)備,并將它復(fù) 位.緊跟輸入包之后,主機發(fā)送1個配置包,從缺省地址0處讀取設(shè)備描述符.讀到描述符后,主機 將分配一個新的地址給設(shè)備,并繼續(xù)查詢關(guān)于設(shè)備描述、配置描述、人機報告描述的信息,設(shè)備將 開始對新分配的地址作出反應(yīng).根據(jù)從設(shè)備處返回的信息,主機知道了被設(shè)備支持的數(shù)據(jù)終端的數(shù) 量,完成列舉過程.列舉結(jié)束后,Windows將把新的設(shè)備加入到控制面板的設(shè)備管理器中顯示.
為此,在微控制器中必須寫入訪問描述符的代碼,這樣便于對主機在列舉設(shè)備時發(fā)送的請求作出有 效的辨識和響應(yīng).在設(shè)備方面需要創(chuàng)建一個INF文件,使Windows能夠辨識設(shè)備,并且為設(shè)備找到其 驅(qū)動.由于操作系統(tǒng)提供了簡單的INF文件,因此,開發(fā)中只需要編寫寫入到微控制器中的程序.
3、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程
發(fā)送數(shù)據(jù)到門禁考勤系統(tǒng)是通過控制端點0中使用SetReport來完成的.主機先向門禁考勤系統(tǒng)請求 發(fā)送數(shù)據(jù),設(shè)備響應(yīng)請求后,主機便開始執(zhí)行. 當(dāng)有數(shù)據(jù)到達設(shè)備的終端0時,將對設(shè)備產(chǎn)生一個 中斷.此時,相應(yīng)的中斷服務(wù)程序便將數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)緩沖區(qū).一旦進入端點0的中斷服務(wù)程序,所 有的中斷必須關(guān)閉,確保能夠正確地復(fù)制數(shù)據(jù).
微處理器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)編程為可以接收64個字節(jié),這個值是存放在設(shè)置包的包頭請求信息中.從主機處接收到的最大包大小,是根據(jù)它將發(fā)送給門禁考勤系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)量來決定的.
系統(tǒng)還使用了Put_command線程,通過1個 I/O端口引腳,向門禁考勤系統(tǒng)串口發(fā)送數(shù)據(jù).在執(zhí)行此線程時,根據(jù)串口通信協(xié)議插入了起始位、停止位以及相應(yīng)的延時.
從門禁考勤系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的過程是利用端點1完成的.端點1配置為1個中斷輸入端點,當(dāng)有1個起始 位到達引腳時,GPIO中斷必須打開,并關(guān)閉所有其它類型中斷.設(shè)計中通過使用1個Get_Serial線 程來收集I/O引腳發(fā)出的串行數(shù)據(jù),并把它存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū).同時該線程負(fù)責(zé)檢驗接收到的起始位 和停止位的正確性.當(dāng)收到8個字節(jié)時,將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到終端1的緩沖區(qū),并且允許微 處理器響應(yīng)中斷輸入請求.
考慮到一般串行口的有效波特率的范圍在300~19 200 bps,我們按處于最大波特率19 200 bps的情況來考慮,傳輸1個字符需要時間接近0.75ms;而1個輸入中斷大約每10 ms送1個8字節(jié)的數(shù)據(jù)包, 因此,設(shè)計1個128字節(jié)的快速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)便可以保證不會丟失數(shù)據(jù).
RS-232-USB接口轉(zhuǎn)換模塊用于改進我們的IC卡門禁考勤系統(tǒng),使用效果良好.
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