USB接口通信研究论文

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摘要：usb通用串行总线是计算机外设接口的发展趋势，将逐渐取代PC机上的RS232协议串口，因此很多传统的RS232接口设备都将面临一个向USB接口转换的问题。本文以IC卡门禁考勤系统为例，提出一种方案，使传统的RS232接口转化为USB接口后直接通过USB总线接入PC，同时使IC卡门禁考勤设备增加了USB总线具有的热插拔、自动配置和智能电源管理等功能；着重剖析USB通信内核，探讨系统软硬件设计方案。

关键词：USB终端人机接口设备（HID）列举

引言

USB作为一种新的PC机互连协议，使外设到计算机的连接更加高效、便利。这种接口适合于多种设备，不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点，还能同时连接多达127个设备，解决了如资源冲突、中断请求（IRQs）和直接数据通道（DMAs）等问题。因此,越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准接口。而RS232是单个设备接入计算机时，常采用的一种接入方式，其硬件实现简单，因此在传统的设备中有很多采用了这种通信方式。一般的IC卡门禁考勤系统也使用RS232接口与PC机通信。如果将USB技术应用于IC卡门禁考勤系统与PC机之间的数据通信，这样，不仅能使IC卡门禁考勤设备具备USB通信的诸多优点，而且对PC机而言还可以节余1个RS232串口为其它通信所用。

1USB系统概述

USB规范描述了总线特性、协议定义、编程接口以及其它设计和构建系统时所要求的特性。USB是一种主从总线，工作时USB主机处于主模式，设备处于从模式。USB系统所需要的唯一的系统资源是，USB系统软件所使用的内存空间、USB主控制器所使用的内存地址空间（I/O地址空间）和中断请求（IRQ）线。USB设备可以是功能性的，如显示器、鼠标或者集线器之类。它们可以作低速或者高速设备实现。低速设备最大速率限制在1.5Mb/s，每一个设备有一些专有寄存器，也就是端点（endpoint）。在进行数据交换时，可以通过设备驱动间接访问它。每一个端点支持几种特殊的传输类型，并且有一个唯一的地址和传输方向。不同的是端点0仅用作控制传输，并且其传输可以是双向的。

系统上电后，USB主机负责检测设备的连接与拆除、初始化设备的列举过程，并根据设备描述表安装设备驱动后自动重新配置系统，收集每个设备的状态信息。设备描述表标识了设备的属性、特征并描述了设备的通信要求。USB主机根据这些信息配置设备、查找驱动，并且与设备通信。

典型的USB数据传输是由设备驱动开始的，当它需要与设备通信时，设备驱动提供内存缓冲区，用来存放设备收到或者即将发送的数据。USB驱动提供USB设备驱动和USB主控制器之间的接口，并将传输请求转化为USB事务，转化时需要与带宽要求及协议结构保持一致。某些传输是由大块数据构成的，这时需要先将它划分为几个事物再进行传输。

具有相似功能的设备可以组成一类，这样便于分享共有的特性和使用共同的设备驱动程序。每个类可以定义其自己的描述符，如：HID类描述符和Report描述符。HID类是由人控制计算机系统的设备组成的，它定义了一个描述HID设备的结构，并且表明了设备的通信要求。HID设备描述符必须支持端点输入中断，固件也必须包括一个报告描述符，表明接收和发送数据的格式。在IC卡门禁考勤系统引入RS232到USB的接口转换模块后，从系统所具有的特性来看，应该属于HID设备。因此，两种特殊的HID类请求必须被支持：SetReport和GetReport。这些请求使设备能接收和发送一般的设备信息给主机。在没有中断输出终端时，SetReport是主机发送数据给HID设备的唯一方式。

2系统要求

为了实现IC卡门禁考勤系统中RS232-USB的接口转换，需要1台支持USB的主机，同时还要提供主机上用于与外设通信的驱动，一般由操作系统提供。此外，还需开发在主机上执行的客户端应用程序。在设备端，需要提供具有USB接口的主控制器芯片，以及编写主控制器上执行的USB通信代码和用于执行外设功能的相关代码。

2.1主机要求

主机必须能够通过设备驱动接收USB数据，并且使这些数据对处理这些请求的应用程序有效。在主机中必须有一个驱动负责处理USB传输、辨识设备、向USB设备收发数据；同时，还需要有一个设备驱动-虚拟化串行口，仿效真实的串口。这个驱动必须能够像真实的串口接收和发送USB数据。

从应用的观点，设备驱动必须能收发数据，可以通过使用一个虚拟化的串口或通过转化为USB数据实现。微软提供了一个叫作USBPOS的设备驱动，它允许应用程序访问USB设备时，好像它们连接到标准串口上一样。系统大致结构方框图如图1所示。

2.2设备要求

在定义即将使用的微控制器时，必须说明一些通信要求，如：通信速率、频率、传输的数据量等。考虑到IC卡门禁考勤系统有效的通信速率，可以把转换器作为一个低速的设备使用，低速设备通信速度可以在10~100Kb/s的范围变化。考虑到传输的数据量和传输的频率，此系统中使用中断的传输类型。中断传输可以在2个方向进行，但不能同时进行,这种类型的传输要求在规定的时间里完成相当大数据量的传输任务。

对于转换模块，它可以用于PC机的数据收发，操作系统提供了HID驱动，允许使用中断传输模式。对于低速设备的一个事务，中断传输最大的包容量是8字节，如果需要发送大量的数据，则必须把它分割为很多事务。

转换模块要定义的另一个特性是所需端点数。如上所述，端点是微控制器在USB通信过程中所用来发送和接收数据的缓冲区。此系统中，该转换器定义了2个端点：一个端点（端点0）用来控制传输，另一个端点是中断输入端点，定义为发数据给PC机。

根据以上要求，通过研究比较现有的微控制器，考虑到如内存空间、价格和开发包等因素，我们选用Cypress家族的一种8位RISC微控制器CY7C634XX/5XX。它使用哈佛总线结构，是对较高I/O要求的低速应用设备的低价解决方案。

图2为IC卡门禁考勤系统USB通信实现硬件方框原理图。

3软件设计和执行

系统软件由6部分组成：定义描述符、设备检测和列举、端点中断服务程序、USB数据交换模块、串行口数据交换模块、USB/Serial模块接口。下面简要描述其中部分模块程序的功能和实现思想。

3.1描述符定义

描述符是数据结果或信息的格式化块,它可以使主机知道这个设备。每个描述符包含了这个设备整体的信息或者某个元素的信息。所有的USB外设必须响应对标准的USB描述符的请求。

该系统中使用了1个接口和2个终端(控制和中断输入)。由于受Win98的限制还不能使用中断输出终端,因此为了解决这个问题，我们通过在端点0中使用SetReport传输PC机欲送往IC卡门禁考勤设备的数据。

数据接收是在OutputReports中完成的。它根据送往IC卡门禁考勤设备最大的数据量，系统定义为16K个8位域。发送数据给主机是在输入报告中完成的，它是8K个8位域。

3.2设备检测和列举

当1个USB人机接口类（HID）设备第一次连接到总线，它将被总线供电但仍然非功能性等待1个总线复位。D-端的上拉电阻通知Hub连接上了新的设备，主机也同时知道了新连接的USB设备，并将它复位。紧跟输入包之后，主机发送1个配置包，从缺省地址0处读取设备描述符。读到描述符后，主机将分配一个新的地址给设备，并继续查询关于设备描述、配置描述、人机报告描述的信息，设备将开始对新分配的地址作出反应。根据从设备处返回的信息，主机知道了被设备支持的数据终端的数量，完成列举过程。列举结束后，Windows将把新的设备加入到控制面板的设备管理器中显示。

为此，在微控制器中必须写入访问描述符的代码，这样便于对主机在列举设备时发送的请求作出有效的辨识和响应。在设备方面需要创建一个INF文件，使Windows能够辨识设备，并且为设备找到其驱动。由于操作系统提供了简单的INF文件，因此，开发中只需要编写写入到微控制器中的程序。

3.3数据发送和接收过程

发送数据到门禁考勤系统是通过控制端点0中使用SetReport来完成的。主机先向门禁考勤系统请求发送数据，设备响应请求后，主机便开始执行。当有数据到达设备的终端0时，将对设备产生一个中断。此时，相应的中断服务程序便将数据复制到数据缓冲区。一旦进入端点0的中断服务程序，所有的中断必须关闭，确保能够正确地复制数据。

微处理器的数据缓冲区编程为可以接收64个字节，这个值是存放在设置包的包头请求信息中。从主机处接收到的最大包大小，是根据它将发送给门禁考勤系统的最大数据量来决定的。

系统还使用了Put_command线程，通过1个I/O端口引脚，向门禁考勤系统串口发送数据。在执行此线程时，根据串口通信协议插入了起始位、停止位以及相应的延时。

从门禁考勤系统接收数据的过程是利用端点1完成的。端点1配置为1个中断输入端点，当有1个起始位到达引脚时，GPIO中断必须打开，并关闭所有其它类型中断。设计中通过使用1个Get_Serial线程来收集I/O引脚发出的串行数据，并把它存入数据缓冲区。同时该线程负责检验接收到的起始位和停止位的正确性。当收到8个字节时，将接收缓冲区中的数据复制到终端1的缓冲区，并且允许微处理器响应中断输入请求。

考虑到一般串行口的有效波特率的范围在300~19200bps，我们按处于最大波特率19200bps的情况来考虑,传输1个字符需要时间接近0.75ms；而1个输入中断大约每10ms送1个8字节的数据包,因此，设计1个128字节的快速数据缓冲区便可以保证不会丢失数据。

RS232-USB接口转换模块用于改进我们的IC卡门禁考勤系统，使用效果良好。