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RS232接口轉(zhuǎn)USB接口的通信方法
摘要：USB通用串行總線是計(jì)算機(jī)外設(shè)接口的發(fā)展趨勢，將逐漸取代PC機(jī)上的RS232協(xié)議串口，因此很多傳統(tǒng)的RS232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RS232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(jì)方案。關(guān)鍵詞：USB 終端 人機(jī)接口設(shè)備（HID） 列舉
引 言
USB作為一種新的PC機(jī)互連協(xié)議，使外設(shè)到計(jì)算機(jī)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(diǎn)，還能同時連接多達(dá)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RS232是單個設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時，常采用的一種接入方式，其硬件實(shí)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RS232接口與PC機(jī)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(jī)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(diǎn)，而且對PC機(jī)而言還可以節(jié)余1個RS232串口為其它通信所用。
1 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(jì)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(jī)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(shí)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(diǎn)（endpoint）。在進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(diǎn)輸入中斷，固件也必須包括一個報(bào)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(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(jī)。在沒有中斷輸出終端時，SetReport是主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給HID設(shè)備的唯一方式。
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2 系統(tǒng)要求
為了實(shí)現(xiàn)IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS232-USB的接口轉(zhuǎn)換，需要1臺支持USB的主機(jī)，同時還要提供主機(jī)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(jī)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。
2.1 主機(jī)要求
主機(jī)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(jī)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(shí)的串口。這個驅(qū)動必須能夠像真實(shí)的串口接收和發(fā)送USB數(shù)據(jù)。
從應(yīng)用的觀點(diǎn)，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(shí)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。
2.2 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�？紤]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(jìn)行，但不能同時進(jìn)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(jī)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(diǎn)數(shù)。如上所述， 端點(diǎn)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(diǎn)：一個端點(diǎn)（端點(diǎn)0）用來控制傳輸，另一個端點(diǎn)是中斷輸入端點(diǎn)，定義為發(fā)數(shù)據(jù)給PC機(jī)。
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(shí)現(xiàn)硬件方框原理圖。
3 軟件設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)思想。
3.1 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(jī)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(diǎn)0中使用SetReport傳輸PC機(jī)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(jī)是在輸入報(bào)告中完成的，它是8K個8位域。
3.2 設(shè)備檢測和列舉
當(dāng)1個USB 人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)報(bào)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(jī)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(jī)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。
3.3 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(diǎn)0中使用SetReport來完成的。主機(jī)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(jī)便開始執(zhí)行。 當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)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(jìn)入端點(diǎn)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(jī)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(diǎn)1完成的。端點(diǎn)1配置為1個中斷輸入端點(diǎn)，當(dāng)有1個起始位到達(dá)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(jì)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(yàn)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0.75 ms；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(jì)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(zhuǎn)換模塊用于改進(jìn)我們的IC卡門禁考勤系統(tǒng)，使用效果良好。
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