RS232接口轉(zhuǎn)USB接口的通訊方法

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(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),可以通過設(shè)備驅(qū)動間接訪問它.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(gè)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(shí),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(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(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,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.
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(gè)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(shí),還需要有一個(gè)設(shè)備 驅(qū)動-虛擬化串行口,仿效真實(shí)的串口.這個(gè)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(gè)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(gè)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(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(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(gè)端點(diǎn)：一個(gè)端點(diǎn)(端點(diǎn)0)用來控制 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(jià)解決方案.