基于Qt實現(xiàn)USB CDC便攜式設備串口通信客戶端設計

摘要：為實現(xiàn)上位機Linux系統(tǒng)的Qt應用程序與下位機USB CDC便攜式設備之間的串口通信，本課題采用USB CDC類協(xié)議，并根據(jù)協(xié)議在Linux下編寫設備驅動程序，同時，搭建Linux-QT應用平臺利用QT可視化的圖形界面及豐富的圖形庫，設計并制作上位機應用程序圖形界面，并根據(jù)Linux下串口通信的應用層協(xié)議，最終實現(xiàn)了在QT界面上實時顯示便攜式設備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制便攜式設備。該方法簡單、可靠、便于實際工程應用，解決了安裝有Linux操作系統(tǒng)的上位機用戶與便攜式設備通信不方便的問題。因此，本課題對USB CDC便攜式設備用戶來說將有廣闊的應用前景。

引言

　　近年來，隨著電子科技的進步和高新技術的不斷涌現(xiàn)，不少設備的技術性能越來越好，體積也越來越小，易于搬運和攜帶。具有USB接口的便攜式設備已經走進了人們的生活。在眾多USB產品中，有這樣一類USB設備廣泛應用于我們的生產和生活中——使用USB CDC類協(xié)議的設備，然而對于Linux下使用此類設備的用戶來講，幾乎不可用的。因此，需要根據(jù)CDC類通信協(xié)議編寫設備驅動程序，以使用戶實現(xiàn)與USB CDC類設備的數(shù)據(jù)通信。同時，在上位機環(huán)境下，利用QT軟件設計實現(xiàn)CDC類設備串口通信應用程序，這樣用戶就可以輕松、方便地監(jiān)視設備的當前狀態(tài)和控制設備行為。

　　另外，Linux是一個完全免費和基于UNIX和POSIX的用戶、多任務、支持多進程線程和多核的操作系統(tǒng)，它具有完全兼容POSIX1.0標準、良好的界面、獨特的組織架構等特點。尤其是它配以擁有多種應用庫的QT軟件，使得本CDC類設備串口通信應用程序設計簡單，成本低廉，非常適合于推廣和應用。

1 USB和USB CDC協(xié)議

1.1 USB接口簡介

　　通用串行總線(Universal Serial Bus，簡稱USB)是計算機連接外部設備裝置的一個高速串行通信協(xié)議標準，如今USB2.0已廣泛地應用在計算機上，同時也擴展到了家用機頂盒和游戲機上。另外，補充標準On-The-Go(OTG)使USB設備間能夠獨立地進行數(shù)據(jù)交換。USB的出現(xiàn)大大簡化了計算機和其它設備的數(shù)據(jù)通信，增強了計算機的擴展性，因而得到大范圍推廣[^1-2] 。

　　通信接口是便攜式設備必備的對外功能模塊之一。由于現(xiàn)今設備的多功能特點，造成數(shù)據(jù)傳送量呈幾何級數(shù)地增加，過去的通信協(xié)議標準如串口通信協(xié)議RS-232、并行通信接口協(xié)議LPT等存在傳輸速度低、誤碼率高、數(shù)據(jù)常常丟失等問題[3]，已不能滿足社會發(fā)展的需求?？梢钥闯觯琔SB接口在便攜式設備上出現(xiàn)是一種必然趨勢。

1.2 CDC 類簡介

　　USB通訊協(xié)議組織制定了三個類：通信設備類、通信接口類和數(shù)據(jù)接口類。通訊設備類是一種設備級別的定義，主機用該協(xié)議識別外部設備可以表現(xiàn)出的不同接口類型。通信接口類定義了一種可以使能USB上的所有類型的通信服務的通用機制。數(shù)據(jù)接口類定義了一種通用機制，當數(shù)據(jù)不能滿足其它通信類的要求時，能使USB完成塊數(shù)據(jù)或者同步傳輸功能。其中，USB CDC類是由通信接口類和數(shù)據(jù)接口類組合而成。針對不同的USB通信設備，CDC類又被分成以下三個模式：傳統(tǒng)純電話業(yè)務模式、 ISDN模式和網絡模式。而傳統(tǒng)純電話業(yè)務模式可分為Direct Line Control Model、ACM(Abstract Control Model)和USB Telephone Model。本文所討論的便攜式設備串口通信就屬于USB 傳統(tǒng)純電話業(yè)務下的ACM模式^[4-5] 。

1.3 CDC 類協(xié)議通信原理和接口函數(shù)

　　USB CDC類協(xié)議所描述的USB CDC類設備首先像一般的USB設備被USB Core所識別和描述，其次將信息上傳至更高層協(xié)議，也就是tty協(xié)議層，最后通過線路規(guī)程的方式，將tty協(xié)議層和usb協(xié)議層結合使用，完成CDC類設備通信，即tty協(xié)議層負責應用程序串口通信，usb協(xié)議層負責CDC類設備的識別、描述和通信^[9-10] ，如圖1所示。

　　本文中開發(fā)的設備驅動涉及的主要接口函數(shù)和過程如下：首先，當CDC類設備接入USB接口時，利用初始化函數(shù)acm_init(void)初始化設備，再由探針函數(shù)acm_probe()對接入的設備識別檢測;其次，設備控制中斷函數(shù)acm_ctrl_irq()發(fā)出中斷，請求數(shù)據(jù)讀寫，其中數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)為：批量塊傳輸讀函數(shù)acm_read_bulk()、批量塊傳輸寫函數(shù)acm_write_bulk();再次，打開tty協(xié)議層設備，并進行數(shù)據(jù)通信，主要是以下五個函數(shù)：打開tty設備函數(shù)acm_tty_open()、關閉函數(shù)acm_tty_close()、寫函數(shù)acm_tty_write()、中斷控制函數(shù)acm_tty_break_ctl()和IO控制函數(shù)acm_tty_ioctl();最后，需要有設備驅動的銷毀和退出函數(shù)：acm_disconnect()、acm_exit(void)。

2 QT軟件介紹及其界面設計

2.1 QT軟件簡介

　　Qt是1991年由奇趣科技開發(fā)的一個跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，它提供給應用程序開發(fā)者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所有功能。因此，Qt的擴展性極強，允許多組件或模塊化編程。同時，Qt的跨平臺特性好，支持任何平臺的編譯與運行。另外，其獨有的信號和槽機制，使得觸發(fā)信號和數(shù)據(jù)在不同模塊間通信?？梢钥闯?，QT是專門面向用戶對象的，提供了圖形用戶界面的應用框架和窗口系統(tǒng)，具有極易的開發(fā)特性，非常適合于linux下應用程序的開發(fā)。QT Designer實現(xiàn)界面設計如下^[8] 。