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RS232接口轉(zhuǎn)USB接口的通信方法
摘要：USB通用串行總線是計算機外設(shè)接口的發(fā)展趨勢，將逐漸取代PC機上的RS232協(xié)議串口，因此很多傳統(tǒng)的RS232接口設(shè)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RS232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(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)計方案。引 言
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RS232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RS232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RS232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1.5 Mb/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(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RS232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RS232-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(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，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)。
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。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(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�？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。
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