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(shì),將逐漸取代PC機(jī)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(gè)向USB接口轉(zhuǎn)換的問(wèn)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(guò)USB總線接入PC, 同時(shí)使IC卡 門禁考勤設(shè)備增加了USB總線具有的熱插拔、自動(dòng)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

一、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(shí)連接多達(dá)127個(gè)設(shè)備,解決了如資源 沖突、中斷請(qǐng)求(IRQs)和直接數(shù)據(jù)通道(DMAs)等問(wèn)題.因此,越來(lái)越多的開(kāi)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(gè)設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時(shí),常采用的一種接入方式,其硬件實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)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(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(duì)PC機(jī)而言還可以節(jié)余1個(gè)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(jì)和構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)所要求的特性.USB是一 種主從總線,工作時(shí)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(qǐng)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(gè)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(shí),可以通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)間接訪問(wèn)它.每一個(gè)端點(diǎn)支持幾種特殊的傳輸類型,并且有 一個(gè)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(cè)設(shè)備的連接與拆除、初始化設(shè)備的列舉過(guò)程,并根據(jù)設(shè)備描述表安 裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)后自動(dòng)重新配置系統(tǒng),收集每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息.設(shè)備描述表標(biāo)識(shí)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(dòng),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(dòng)開(kāi)始的,當(dāng)它需要與設(shè)備通信時(shí),設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供內(nèi)存緩沖區(qū),用 來(lái)存放設(shè)備收到或者即將發(fā)送的數(shù)據(jù).USB驅(qū)動(dòng)提供USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和USB主控制器之間的接口,并將 傳輸請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為USB事務(wù),轉(zhuǎn)化時(shí)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(shí)需要先將它劃分為幾個(gè)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(dòng)程序.每個(gè)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(gè)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(gè)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RS-232到USB的接口轉(zhuǎn)換模塊后,從系統(tǒng)所具有的特性來(lái)看,應(yīng)該屬于HID設(shè)備.因此,兩 種特殊的HID類請(qǐng)求必須被支持：SetReport和GetReport .這些請(qǐng)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(méi)有中斷輸出終端時(shí),SetReport是主機(jī)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(shí)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(tái)支持USB的主機(jī),同時(shí)還要提供主機(jī) 上用于與外設(shè)通信的驅(qū)動(dòng),一般由操作系統(tǒng)提供.此外,還需開(kāi)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.
1、主機(jī)要求
主機(jī)必須能夠通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收USB數(shù)據(jù),并且使這些數(shù)據(jù)對(duì)處理這些請(qǐng)求的應(yīng)用程序有效.在主 機(jī)中必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)處理USB傳輸、辨識(shí)設(shè)備、向USB設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù);同時(shí),還需要有一個(gè)設(shè)備 驅(qū)動(dòng)-虛擬化串行口,仿效真實(shí)的串口.這個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)必須能收發(fā)數(shù)據(jù),可以通過(guò)使用一個(gè)虛擬化的串口或通過(guò)轉(zhuǎn)化為USB 數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn).微軟提供了一個(gè)叫作USB POS的設(shè)備驅(qū)動(dòng),它允許應(yīng)用程序訪問(wèn)USB設(shè)備時(shí),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(shí),必須說(shuō)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(gè)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(gè)方向進(jìn)行,但不能同時(shí)進(jìn)行,這種類型的傳輸要求在規(guī)定的時(shí)間里 完成相當(dāng)大數(shù)據(jù)量的傳輸任務(wù).

　　對(duì)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(dòng), 允許使用中斷傳輸模式.對(duì)于低速設(shè)備的一個(gè)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(gè)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(guò)程中所用來(lái)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(gè)端點(diǎn)：一個(gè)端點(diǎn)(端點(diǎn)0)用來(lái)控制 傳輸,另一個(gè)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(guò)研究比較現(xiàn)有的微控制器,考慮到如內(nèi)存空間、價(jià)格和開(kāi)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(duì)較高 I/O要求的低 速應(yīng)用設(shè)備的低價(jià)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.

四、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(cè)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(jiǎn)要描述其中部分模塊程序的功能和實(shí)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(jī)知道這個(gè)設(shè)備.每個(gè)描述符包含了這個(gè)設(shè)備整體的信息或者某個(gè)元素的信息.所有的USB外設(shè)必須響應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的USB描述符的請(qǐng)求.

該系統(tǒng)中使用了1個(gè)接口和2個(gè)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(gè)問(wèn)題,我們通過(guò)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(gè)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(gè)8位域.

2、設(shè)備檢測(cè)和列舉

　　當(dāng)1個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(kāi)始對(duì)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(guò)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(wèn)描述符的代碼,這樣便于對(duì)主機(jī)在列舉設(shè)備時(shí)發(fā)送的請(qǐng)求作出有 效的辨識(shí)和響應(yīng).在設(shè)備方面需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)INF文件,使Windows能夠辨識(shí)設(shè)備,并且為設(shè)備找到其 驅(qū)動(dòng).由于操作系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單的INF文件,因此,開(kāi)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(guò)程

　　發(fā)送數(shù)據(jù)到門禁考勤系統(tǒng)是通過(guò)控制端點(diǎn)0中使用SetReport來(lái)完成的.主機(jī)先向門禁考勤系統(tǒng)請(qǐng)求 發(fā)送數(shù)據(jù),設(shè)備響應(yīng)請(qǐng)求后,主機(jī)便開(kāi)始執(zhí)行. 當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)備的終端0時(shí),將對(duì)設(shè)備產(chǎn)生一個(gè) 中斷.此時(shí),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(gè)字節(jié),這個(gè)值是存放在設(shè)置包的包頭請(qǐng)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(lái)決定的.

　　系統(tǒng)還使用了Put_command線程,通過(guò)1個(gè) 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(shí),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(shí).

　　從門禁考勤系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的過(guò)程是利用端點(diǎn)1完成的.端點(diǎn)1配置為1個(gè)中斷輸入端點(diǎn),當(dāng)有1個(gè)起始 位到達(dá)引腳時(shí),GPIO中斷必須打開(kāi),并關(guān)閉所有其它類型中斷.設(shè)計(jì)中通過(guò)使用1個(gè)Get_Serial線 程來(lái)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(shí)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(gè)字節(jié)時(shí),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(qǐng)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(lái)考慮,傳輸1個(gè)字符需要時(shí)間接近0.75ms;而1個(gè)輸入中斷大約每10 ms送1個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)包, 因此,設(shè)計(jì)1個(gè)128字節(jié)的快速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)便可以保證不會(huì)丟失數(shù)據(jù).

　　RS-232-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.