USB接口通信研究論文

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摘要：usb通用串行總線是計算機外設接口的發(fā)展趨勢，將逐漸取代PC機上的RS232協(xié)議串口，因此很多傳統(tǒng)的RS232接口設備都將面臨一個向USB接口轉換的問題。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RS232接口轉化為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)軟硬件設計方案。

關鍵詞：USB終端人機接口設備（HID）列舉

引言

USB作為一種新的PC機互連協(xié)議，使外設到計算機的連接更加高效、便利。這種接口適合于多種設備，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)品中使用這種標準接口。而RS232是單個設備接入計算機時，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RS232接口與PC機通信。如果將USB技術應用于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RS232串口為其它通信所用。

1USB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計和構建系統(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設備可以是功能性的，如顯示器、鼠標或者集線器之類。它們可以作低速或者高速設備實現(xiàn)。低速設備最大速率限制在1.5Mb/s，每一個設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主機負責檢測設備的連接與拆除、初始化設備的列舉過程，并根據(jù)設備描述表安裝設備驅(qū)動后自動重新配置系統(tǒng)，收集每個設備的狀態(tài)信息。設備描述表標識了設備的屬性、特征并描述了設備的通信要求。USB主機根據(jù)這些信息配置設備、查找驅(qū)動，并且與設備通信。

典型的USB數(shù)據(jù)傳輸是由設備驅(qū)動開始的，當它需要與設備通信時，設備驅(qū)動提供內(nèi)存緩沖區(qū)，用來存放設備收到或者即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。USB驅(qū)動提供USB設備驅(qū)動和USB主控制器之間的接口，并將傳輸請求轉化為USB事務，轉化時需要與帶寬要求及協(xié)議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數(shù)據(jù)構成的，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)的設備組成的，它定義了一個描述HID設備的結構，并且表明了設備的通信要求。HID設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RS232到USB的接口轉換模塊后，從系統(tǒng)所具有的特性來看，應該屬于HID設備。因此，兩種特殊的HID類請求必須被支持：SetReport和GetReport。這些請求使設備能接收和發(fā)送一般的設備信息給主機。在沒有中斷輸出終端時，SetReport是主機發(fā)送數(shù)據(jù)給HID設備的唯一方式。

2系統(tǒng)要求

為了實現(xiàn)IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS232-USB的接口轉換，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)行的客戶端應用程序。在設備端，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)行外設功能的相關代碼。

2.1主機要求

主機必須能夠通過設備驅(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用程序有效。在主機中必須有一個驅(qū)動負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發(fā)數(shù)據(jù)；同時，還需要有一個設備驅(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)。

從應用的觀點，設備驅(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化為USB數(shù)據(jù)實現(xiàn)。微軟提供了一個叫作USBPOS的設備驅(qū)動，它允許應用程序訪問USB設備時，好像它們連接到標準串口上一樣。系統(tǒng)大致結構方框圖如圖1所示。

2.2設備要求

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，可以把轉換器作為一個低速的設備使用，低速設備通信速度可以在10~100Kb/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大數(shù)據(jù)量的傳輸任務。

對于轉換模塊，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。對于低速設備的一個事務，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。

轉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。它使用哈佛總線結構，是對較高I/O要求的低速應用設備的低價解決方案。

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。

3軟件設計和執(zhí)行

系統(tǒng)軟件由6部分組成：定義描述符、設備檢測和列舉、端點中斷服務程序、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。

3.1描述符定義

描述符是數(shù)據(jù)結果或信息的格式化塊,它可以使主機知道這個設備。每個描述符包含了這個設備整體的信息或者某個元素的信息。所有的USB外設必須響應對標準的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卡門禁考勤設備的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收是在OutputReports中完成的。它根據(jù)送往IC卡門禁考勤設備最大的數(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。

3.2設備檢測和列舉

當1個USB人機接口類（HID）設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個總線復位。D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設備，主機也同時知道了新連接的USB設備，并將它復位。緊跟輸入包之后，主機發(fā)送1個配置包，從缺省地址0處讀取設備描述符。讀到描述符后，主機將分配一個新的地址給設備，并繼續(xù)查詢關于設備描述、配置描述、人機報告描述的信息，設備將開始對新分配的地址作出反應。根據(jù)從設備處返回的信息，主機知道了被設備支持的數(shù)據(jù)終端的數(shù)量，完成列舉過程。列舉結束后，Windows將把新的設備加入到控制面板的設備管理器中顯示。

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備時發(fā)送的請求作出有效的辨識和響應。在設備方面需要創(chuàng)建一個INF文件，使Windows能夠辨識設備，并且為設備找到其驅(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。

3.3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)，設備響應請求后，主機便開始執(zhí)行。當有數(shù)據(jù)到達設備的終端0時，將對設備產(chǎn)生一個中斷。此時，相應的中斷服務程序便將數(shù)據(jù)復制到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。一旦進入端點0的中斷服務程序，所有的中斷必須關閉，確保能夠正確地復制數(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，當有1個起始位到達引腳時，GPIO中斷必須打開，并關閉所有其它類型中斷。設計中通過使用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)。同時該線程負責檢驗接收到的起始位和停止位的正確性。當收到8個字節(jié)時，將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復制到終端1的緩沖區(qū)，并且允許微處理器響應中斷輸入請求。

考慮到一般串行口的有效波特率的范圍在300~19200bps，我們按處于最大波特率19200bps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10ms送1個8字節(jié)的數(shù)據(jù)包,因此，設計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)。

RS232-USB接口轉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。