摘 要：USB通用串行總線是計算機外設接口的發(fā)展趨勢,將逐漸取代PC機上的RS-232協(xié)議串口, 因此很多傳統(tǒng)的RS-232接口設備都將面臨一個向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, 同時使IC卡 門禁考勤設備增加了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)軟硬件設計方案. 關(guān)鍵詞：USB;終端;人機接口設備(HID);列舉

一、引言 USB作為一種新的PC機互連協(xié)議,使外設到計算機的連接更加高效、便利.這種接口適合于多種設 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) 品中使用這種標準接口.而RS-232是單個設備接入計算機時,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.

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(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(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(qū)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(qū)動,并且與設備通信. 典型的USB數(shù)據(jù)傳輸是由設備驅(qū)動開始的,當它需要與設備通信時,設備驅(qū)動提供內(nèi)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(qū)動提供USB設備驅(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,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(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 備組成的,它定義了一個描述HID設備的結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)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(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(guān)代碼.
1、主機要求
主機必須能夠通過設備驅(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用程序有效.在主 機中必須有一個驅(qū)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(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).
從應用的觀點,設備驅(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的設備驅(qū)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(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(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 速應用設備的低價解決方案.