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作 者： 武漢大學 任治國 王大方 陳曉國</P><P> 摘 要： USB通用串行總線是計算機外設接口的發展趨勢，將逐漸取代PC機上的RS232協議串口，因此很多傳統的RS232接口設備都將面臨一個向USB接口轉換的問題。本文以IC卡門禁考勤系統為例，提出一種方案，使傳統的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通信內核，探討系統軟硬件設計方案。</P><P> 關鍵詞： USB 終端 人機接口設備（HID） 列舉</P><P> 引 言</P><P> USB作為一種新的PC機互連協議，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）和直接數據通道（DMAs）等問題。因此,越來越多的開發者欲在自己的產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，其硬件實現簡單， 因此在傳統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卡門禁考勤系統與PC機之間的數據通信，這樣，不僅能使IC卡門禁考勤設備具備USB通信的諸多優點，而且對PC機而言還可以節余1個RS232串口為其它通信所用。</P><P> 1 USB系統概述</P><P> USB規范描述了總線特性、協議定義、編程接口以及其它設計和構建系統時所要求的特性。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系統所需要的唯一的系統資源是，USB系統軟件所使用的內存空間、USB主控制器所使用的內存地址空間（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。低速設備最大速率限制在1.5 Mb/s，每一個設備有一些專有寄存器，也就是端點（endpoint）。在進行數據交換時，可以通過設備驅動間接訪問它。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。</P><P> 系統上電后，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，并根據設備描述表安裝設備驅動后自動重新配置系統，收集每個設備的狀態信息。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主機根據這些信息配置設備、查找驅動，并且與設備通信。</P><P> 典型的USB數據傳輸是由設備驅動開始的，當它需要與設備通信時，設備驅動提供內存緩沖區，用來存放設備收到或者即將發送的數據。USB驅動提供USB設備驅動和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議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數據構成的，這時需要先將它劃分為幾個事物再進行傳輸。</P><P> 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，表明接收和發送數據的格式。在IC卡門禁考勤系統引入RS232到USB的接口轉換模塊后，從系統所具有的特性來看，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是主機發送數據給HID設備的唯一方式。</P><P> <BR> 2 系統要求</P><P> 為了實現IC卡門禁考勤系統中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動，一般由操作系統提供。此外，還需開發在主機上執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行的USB通信代碼和用于執行外設功能的相關代碼。</P><P> 2.1 主機要求</P><P> 主機必須能夠通過設備驅動接收USB數據，并且使這些數據對處理這些請求的應用程序有效。在主機中必須有一個驅動負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發數據；同時，還需要有一個設備驅動-虛擬化串行口，仿效真實的串口。這個驅動必須能夠像真實的串口接收和發送USB數據。</P><P> 從應用的觀點，設備驅動必須能收發數據，可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉化為USB 數據實現。微軟提供了一個叫作USB POS的設備驅動，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。系統大致結構方框圖如圖1所示。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038291034910058.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038291034910058.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> <BR> 2.2 設備要求</P><P> 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、傳輸的數據量等。考慮到IC卡門禁考勤系統有效的通信速率，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10~100 Kb/s的范圍變化。考慮到傳輸的數據量和傳輸的頻率， 此系統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定的時間里完成相當大數據量的傳輸任務。</P><P> 對于轉換模塊，它可以用于PC機的數據收發，操作系統提供了HID驅動， 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，如果需要發送大量的數據，則必須把它分割為很多事務。</P><P> 轉換模塊要定義的另一個特性是所需端點數。如上所述， 端點是微控制器在USB通信過程中所用來發送和接收數據的緩沖區。此系統中，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，定義為發數據給PC機。</P><P> 根據以上要求，通過研究比較現有的微控制器，考慮到如內存空間、價格和開發包等因素，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。</P><P> 圖2為IC卡門禁考勤系統USB通信實現硬件方框原理圖。</P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200382910341786276.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200382910341786276.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> 3 軟件設計和執行</P><P> 系統軟件由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數據交換模塊、串行口數據交換模塊、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思想。</P><P> 3.1 描述符定義</P><P> 描述符是數據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。</P><P> 該系統中使用了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據。</P><P> 數據接收是在Output Reports中完成的。它根據送往IC卡門禁考勤設備最大的數據量，系統定義為16K個8位域。發送數據給主機是在輸入報告中完成的，它是8K個8位域。</P><P> 3.2 設備檢測和列舉</P><P> 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。根據從設備處返回的信息，主機知道了被設備支持的數據終端的數量，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。</P><P> 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送的請求作出有效的辨識和響應。在設備方面需要創建一個INF文件，使Windows能夠辨識設備，并且為設備找到其驅動。由于操作系統提供了簡單的INF文件，因此，開發中只需要編寫寫入到微控制器中的程序。</P><P> 3.3 數據發送和接收過程</P><P> 發送數據到門禁考勤系統是通過控制端點0中使用SetReport來完成的。主機先向門禁考勤系統請求發送數據，設備響應請求后，主機便開始執行。 當有數據到達設備的終端0時，將對設備產生一個中斷。此時，相應的中斷服務程序便將數據復制到數據緩沖區。 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據。</P><P> 微處理器的數據緩沖區編程為可以接收64個字節，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，是根據它將發送給門禁考勤系統的最大數據量來決定的。 </P><P> 系統還使用了Put_command線程，通過1個 I/O端口引腳，向門禁考勤系統串口發送數據。在執行此線程時，根據串口通信協議插入了起始位、停止位以及相應的延時。</P><P> 從門禁考勤系統接收數據的過程是利用端點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引腳發出的串行數據，并把它存入數據緩沖區。 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個字節時，將接收緩沖區中的數據復制到終端1的緩沖區，并且允許微處理器響應中斷輸入請求。</P><P> 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0.75 ms；而1個輸入中斷大約每10 ms送1個8字節的數據包,因此，設計1個128字節的快速數據緩沖區便可以保證不會丟失數據。</P><P> RS232-USB接口轉換模塊用于改進我們的IC卡門禁考勤系統，使用效果良好。</P><P> 參考文獻</P><P> 1 陳逸. USB大全. 北京：中國電力出版社 ，2001<BR> 2 Axelson J. Usbhidio-Universal Serial Bus Human Interface Device Input/Output(I/O) Application. http: //www.lvr.com<BR> 3 Axelson J. USB Complete-Everything You Need to Develop Custom USB Peripherals. Madison：Lakeview Research , 1999</P><P> <BR>
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