RS232轉USB接口的通訊模塊設計

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(xiàn).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(shù)據(jù)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. 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、查找驅動,并且與設備通信. 典型的USB數(shù)據(jù)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(qū),用 來存放設備收到或者即將發(fā)送的數(shù)據(jù).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(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RS-232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.

三、系統(tǒng)要求
為了實現(xiàn)IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS-232-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(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.
1、主機要求
主機必須能夠通過設備驅動接收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(fā)送USB數(shù)據(jù).
從應用的觀點,設備驅動必須能收發(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(tǒng)大致結構方框圖如圖1所示.

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10~100 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.

四、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.

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Output Reports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.

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、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300~19 200 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0.75ms;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).

　　RS-232-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.