中心議題:
- USB系統(tǒng)概述
- IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS232-USB的接口轉(zhuǎn)換要求
- IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS232-USB的接口轉(zhuǎn)換設(shè)計和執(zhí)行
USB作為一種新的PC機互連協(xié)議,使外設(shè)到計算機的連接更加高效、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,還能同時連接多達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RS-232是單個設(shè)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(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,而且對PC機而言還可以節(jié)余1個RS-232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)備實現(xiàn)。低速設(shè)備最大速率限制在1.5Mb/s,每一個設(shè)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(shè)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(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類是由人控制計算機系統(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(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。在沒有中斷輸出終端時,SetReport是主機發(fā)送數(shù)據(jù)給HID設(shè)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RS-232-USB的接口轉(zhuǎn)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(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 主機要求
主機必須能夠通過設(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。在主機中必須有一個驅(qū)動負責(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)。
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從應(yīng)用的觀點,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??紤]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10~100Kb/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(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(zhuǎn)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(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通信實現(xiàn)硬件方框原理圖。
3 軟件設(shè)計和執(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0中使用SetReport傳輸PC機欲送往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)給主機是在輸入報告中完成的,它是8K個8位域。
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3.2 設(shè)備檢測和列舉
當(dāng)1個USB人機接口類(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、人機報告描述的信息,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(shè)備響應(yīng)請求后,主機便開始執(zhí)行。當(dāng)有數(shù)據(jù)到達設(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)。一旦進入端點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1完成的。端點1配置為1個中斷輸入端點,當(dāng)有1個起始位到達引腳時,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(zé)檢驗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300~19200bps,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(shè)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(zhuǎn)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。