帶USB接口的電子巡更系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

 摘要：介紹一種具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、支持熱插拔和充電方便等特點(diǎn)的USB接口電子巡更系統(tǒng)；闡述電子巡更系統(tǒng)硬件電路及工作原野，并介紹該系統(tǒng)的軟件組成及流程圖。

    關(guān)鍵詞：電子巡更系統(tǒng) 信息鈕扣 USB接口 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

電子巡更系統(tǒng)是智能樓宇中保安系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。保安巡更時(shí)，需按指定的路線和時(shí)間，依次以達(dá)各個(gè)巡更點(diǎn)進(jìn)行巡更。在此系統(tǒng)中，各巡更點(diǎn)設(shè)有信息鈕扣，保安用巡更機(jī)讀取信息鈕及當(dāng)前時(shí)間。巡更完畢后，將巡更機(jī)交至安保中心，使之與計(jì)算機(jī)的USB接口相連，將存儲(chǔ)在巡更機(jī)中的巡更數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。所以，通過(guò)它可以了解保安的巡更情況，有效地管理和督促保安的工作。

1996年，Intel、Microsoft、IBM等七家公司共同推出USB1.0通用串行接口標(biāo)準(zhǔn)，隨后帶USB接口的產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)。USB接口具有速度快、支持熱插拔和即插即用、易擴(kuò)展、可提供總線供電等優(yōu)點(diǎn)。

基于USB接口的諸多優(yōu)點(diǎn)和本設(shè)計(jì)中巡更機(jī)的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)巡更系統(tǒng)時(shí)，采用了USB接口。該電子巡更系統(tǒng)具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、易擴(kuò)展、充電方便、功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)巡更機(jī)的不足。

圖1 巡更機(jī)硬件原理框圖

1 電子巡更系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)電子巡更系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了降低開(kāi)發(fā)成本，提高系統(tǒng)的性價(jià)比，本設(shè)計(jì)采用MCU+USB接口芯片的方案。MCU采用Atmel公司的AT89C52單片機(jī)，可以設(shè)置成低功耗方式。USB接口芯片采用Philips公司的PDIUSBD12。帶USB接口的電子巡更系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。其中DS1302為高性能、低功耗、寬電壓、帶有RAM實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它適合于工作電池供電設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)鐘。這里MCU通過(guò)它讀了當(dāng)前時(shí)間；24LC64為低功耗、寬電壓、64Kb、支持I2C協(xié)議的串行CMOS電可擦除程序存儲(chǔ)器EEPROM，這里用于存儲(chǔ)巡更點(diǎn)信息鈕扣的ID值和讀取信息鈕扣時(shí)間數(shù)據(jù)。DS1990A外形上是一種圓形不銹鋼器件，內(nèi)部存有64b的二進(jìn)制代碼，以此代碼作為巡更點(diǎn)的ID值。DS1302和24LC64電壓工作范圍為2.5～5.5V，以I2C總線和MCU通信。DS1990A以單總線（1-Wire總線）和MCU通信。

本系統(tǒng)中巡更機(jī)采用3.6V可充電電池供電，充電電源由USB接口的5V電源線提供，電源電壓監(jiān)測(cè)電路如圖2所示。其呂AMS1117是一個(gè)DC-DC電壓變換器，其輸入端為USB接口的5個(gè)電源線，輸出端為3.3V電壓，以此電壓為3.6V電源充電。MAX9117是一個(gè)帶有1.245V基準(zhǔn)電壓（Vref）的比較器。當(dāng)電池電壓下降到3V以下時(shí)，LED點(diǎn)亮，指示電量不足。

    PDIUSBD12是一種性能優(yōu)化的USB器件。它是一種與微控制器進(jìn)行通信的高速愛(ài)用并行接口，它同時(shí)也支持本地DMA傳輸。設(shè)計(jì)人員可以在各種不同類型的微控制器中選擇出最合適的微控制器，而且不需要專用的開(kāi)發(fā)設(shè)備。這種組件方式增強(qiáng)了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的靈活性，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，是開(kāi)發(fā)USB外設(shè)的一種快捷和經(jīng)濟(jì)的途徑。PDIUSBD12符合USB1.1規(guī)范，也符合大多數(shù)在規(guī)范，如成像類、大容量存儲(chǔ)類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等。因此，PDIUSBD12非常適合數(shù)外圍設(shè)備，如打印機(jī)、掃描儀、外部大容易存儲(chǔ)器（Zip驅(qū)動(dòng)器）和數(shù)碼相機(jī)等的接口芯片。它使得當(dāng)前使用SCSI的系統(tǒng)可以立即降低成本。

2 電子巡更系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 巡更機(jī)固件程序

巡更機(jī)固件程序從功能上主要分為兩部分。

①信息鈕扣的讀取操作程序。這一部分實(shí)現(xiàn)MCU主外圍器件的初始化、讀取信息鈕以及對(duì)DS1302和24LC64的讀寫(xiě)操作。調(diào)試時(shí)要注意I2C總線的時(shí)序問(wèn)題。巡更機(jī)固件程序采用C語(yǔ)言編程。信息鈕讀取操作程序流程如圖3所示。

②MCU和USB接口的通信程序。這一部分程序要實(shí)現(xiàn)將24LC64中的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口讀入到上位計(jì)算機(jī)中。USB接口芯片PDIUSBD12的端點(diǎn)適用于不同類型的設(shè)備，可通過(guò)命令配置為4種不同的模式：模式0（非同步傳輸）、模式1（同步輸出傳輸）、模式2（同步輸入傳輸）和模式3（同步輸入輸出傳輸）。PDIUSBD12帶有三個(gè)端點(diǎn)，即端點(diǎn)0、端點(diǎn)1和端點(diǎn)2。這里僅列出模式0（非同步傳輸）時(shí)各端點(diǎn)的配置表格，如表1所列。

表1 模式0各端點(diǎn)配置

端點(diǎn)號(hào)	端點(diǎn)索引	傳輸類型	端點(diǎn)類型	方向	最大數(shù)據(jù)包容量/B
0	0 1	控制輸出 控制輸入	缺少值	輸出 輸入	16 16
1	2 3	普通輸出 普通輸入	普通 普通	輸出 輸入	16 16
2	4 5	普通輸出 普通輸入	普通 普通	輸出 輸入	64×2（雙緩沖區(qū)） 64×2（雙緩沖區(qū)）

本程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用PDIUSBD12的端點(diǎn)1和端點(diǎn)2進(jìn)行上位計(jì)算機(jī)與巡更機(jī)MCU之間的命令和數(shù)據(jù)的傳輸。端點(diǎn)1和端點(diǎn)2設(shè)置成模式0，其中端點(diǎn)1進(jìn)行命令的傳輸和應(yīng)答，端點(diǎn)2用于數(shù)據(jù)的傳輸。端點(diǎn)1接收上位計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的8字節(jié)的讀指令，指令正確回應(yīng)后，使用端點(diǎn)2返回讀成功數(shù)據(jù)。通信中所使用的端點(diǎn)情況如圖4所示（括號(hào)內(nèi)為使用的端點(diǎn)號(hào)）。

PDIUSBD12收到上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)包時(shí)，就以中斷的方式通知巡更機(jī)的MCU。固件程序工作過(guò)程如下：當(dāng)PDIUSBD12從USB收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，PDIUSBD12就會(huì)對(duì)MCU產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，MCU立即響應(yīng)中斷。巡更機(jī)固件程序?qū)?shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)部緩沖區(qū)移到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并清零PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)，以使之能接收新的數(shù)據(jù)包。在斷處理程序中，MCU判斷產(chǎn)生的中斷類型，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。其中斷程序流程如圖5所示。

2.2 巡更機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

Windows98和Windows2000已經(jīng)為一些USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供了驅(qū)動(dòng)程序，巡更機(jī)目前還不是標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)外設(shè)，所以必須針對(duì)巡更機(jī)的特點(diǎn)來(lái)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)中巡更機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是通過(guò)Windows DDK來(lái)開(kāi)發(fā)的，它是Microsoft公司提供的一個(gè)開(kāi)發(fā)Windows驅(qū)動(dòng)程序的工具，DDK提供了編譯驅(qū)動(dòng)程序的環(huán)境。該巡更機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序是WDM類型的，采用VC++編程。

驅(qū)動(dòng)程序中對(duì)USB進(jìn)行操作的請(qǐng)求都應(yīng)調(diào)用系統(tǒng)例程，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)URB結(jié)構(gòu)，即USB請(qǐng)求塊（USB Request Block），然后使用系統(tǒng)級(jí)的IRP將其提交。該驅(qū)動(dòng)程序由四個(gè)模塊組成：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊和I/O控制模塊。

①初始化模塊。DriverEntry為驅(qū)動(dòng)程序的入口處，通過(guò)它來(lái)執(zhí)行大量的初始化函數(shù)。

②即插即用管理模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的熱插拔和動(dòng)態(tài)配置。驅(qū)動(dòng)程序初始化完成后，接著對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，這主要是通過(guò)即插即用（PnP）管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中的AddDevice和IRP_MJ_PNP兩個(gè)例程來(lái)完成的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序從PnP管理器中收到IRP_MN_START_DEVICE請(qǐng)求時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)設(shè)備，并且準(zhǔn)備好處理I/O操作。

③電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的喚醒和掛起。電源管理器（powermanager）從整個(gè)系統(tǒng)的角度來(lái)管理電源，所有與電源相關(guān)的IRP都是由它發(fā)出的，它發(fā)出的請(qǐng)求包可以指定一種新的電源狀態(tài)以及查詢或更改一種狀態(tài)。支持電源管理的驅(qū)動(dòng)程序，在最大程序地幫助Windows合理地利用資源方面起著重要作用。值得注意的是，與電源相關(guān)的IRP必須在同步操作上有非常嚴(yán)格的要求。例如，任何時(shí)候在一個(gè)PDO（物理設(shè)備對(duì)象）中。只能有一個(gè)IRP_MN_QUERY_POWER或者IRP_MN_SET_POWER；電源IRP的處理要盡可能地快等。

④I/O控制模塊完成輸入輸出請(qǐng)求的大部分功能。設(shè)備的控制由設(shè)備控制例程（IRP_MJ_DEVICE_CONTROL）負(fù)責(zé)，主要是對(duì)設(shè)備進(jìn)行一些操作命令的發(fā)送或者標(biāo)志的讀取。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)主要由IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE兩個(gè)例程完成，只需在AddDevice中申請(qǐng)一個(gè)符號(hào)鏈接，并且在StartDevice中將此符號(hào)鏈接激活即可。

    2.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在Win32系統(tǒng)中，每一個(gè)設(shè)備對(duì)象都抽象為文件，此時(shí)的應(yīng)用程序只需通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的文件操作API函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)程序中某個(gè)設(shè)備的通信。在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用程序是該電子巡更系統(tǒng)的中心，采用Visual C++編程。其主要功能有：?jiǎn)?dòng)或關(guān)閉USB設(shè)備、檢查USB設(shè)備、設(shè)置巡更參數(shù)、從巡更機(jī)中讀取數(shù)據(jù)以及顯示、比較、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。

結(jié)語(yǔ)

USB接口因其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)為計(jì)算機(jī)外設(shè)的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，尤其是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的推出，其傳輸速率可達(dá)480Mb/s，使其真正意義上成為了一種通用串行總線。而根據(jù)筆者的實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，Philips公司的PDIUSBD12是一種性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效的USB接口器件，很適合投資少、周期短的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，而且可以根據(jù)自己的實(shí)際情況靈活地選擇組件，相信其在各領(lǐng)域必有廣闊的應(yīng)用前景。