RS232接口轉USB接口的通信方法

摘 要：USB通用串行總線是計算機外設接口的發展趨勢,將逐漸取代PC機上的RS-232協議串口, 因此很多傳統的RS-232接口設備都將面臨一個向USB接口轉換的問題.本文以IC卡門禁考勤系統為 例,提出一種方案,使傳統的RS-232接口轉化為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 內核,探討系統軟硬件設計方案. 關鍵詞：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)和直接數據通道(DMAs)等問題.因此,越來越多的開發者欲在自己的產 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 簡單, 因此在傳統的設備中有很多采用了這種通信方式. 一般的IC卡門禁考勤系統也使用RS-232 接口與PC機通信.如果將USB技術應用于IC卡門禁考勤系統與PC機之間的數據通信,這樣,不僅能 使IC卡門禁考勤設備具備USB通信的諸多優點,而且對PC機而言還可以節余1個RS-232串口為其它通 信所用.

二、USB系統概述 USB規范描述了總線特性、協議定義、編程接口以及其它設計和構建系統時所要求的特性.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系統所需要的唯一的系統資源是, USB系統軟件所使用的內存空間、USB主控制器所使用的內存地址空間(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.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) 在進行數據交換時,可以通過設備驅動間接訪問它.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,并根據設備描述表安 裝設備驅動后自動重新配置系統,收集每個設備的狀態信息.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主機根據這些信息配置設備、查找驅動,并且與設備通信. 典型的USB數據傳輸是由設備驅動開始的,當它需要與設備通信時,設備驅動提供內存緩沖區,用 來存放設備收到或者即將發送的數據.USB驅動提供USB設備驅動和USB主控制器之間的接口,并將 傳輸請求轉化為USB事務,轉化時需要與帶寬要求及協議結構保持一致.某些傳輸是由大塊數據構 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的設 備組成的,它定義了一個描述HID設備的結構,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,表明接收和發送數據的格式.在IC卡門禁考勤 系統引入RS-232到USB的接口轉換模塊后,從系統所具有的特性來看,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是主機發送數據給HID設備的唯一方式.

三、系統要求 為了實現IC卡門禁考勤系統中RS-232-USB的接口轉換,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動,一般由操作系統提供.此外,還需開發在主機上執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行的USB通信代碼和用于 執行外設功能的相關代碼.
1、主機要求
主機必須能夠通過設備驅動接收USB數據,并且使這些數據對處理這些請求的應用程序有效.在主 機中必須有一個驅動負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發數據;同時,還需要有一個設備 驅動-虛擬化串行口,仿效真實的串口.這個驅動必須能夠像真實的串口接收和發送USB數據.
從應用的觀點,設備驅動必須能收發數據,可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉化為USB 數據 實現.微軟提供了一個叫作USB POS的設備驅動,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.系統大致結構方框圖如圖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、傳輸的數據量等.考 慮到IC卡門禁考勤系統有效的通信速率,可以把轉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.考慮到傳輸的數據量和傳輸的頻率, 此系統中使用中斷的 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定的時間里 完成相當大數據量的傳輸任務.

　　對于轉換模塊,它可以用于PC機的數據收發,操作系統提供了HID驅動, 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,如果需要發送大量的數據.則必須把 它分割為很多事務.

　　轉換模塊要定義的另一個特性是所需端點數.如上所述, 端點是微控制器在USB通信過程中所用來發送和接收數據的緩沖區.此系統中,該轉換器定義了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,定義為發數據給PC機.

　　根據以上要求,通過研究比較現有的微控制器,考慮到如內存空間、價格和開發包等因素,我們選用 Cypress家族的一種8位RISC微控制器CY7C634XX/5XX.它使用哈佛總線結構,是對較高 I/O要求的低 速應用設備的低價解決方案.

圖2為IC卡門禁考勤系統USB通信實現硬件方框原理圖.

四、軟件設計和執行

　　系統軟件由6部分組成:定義描述符、設備檢測和列舉、端點中斷服務程序、USB數據交換模塊、串行口數據交換模塊、USB/Serial模塊接口. 下面簡要描述其中部分模塊程序的功能和實現思想.

1、描述符定義

　　描述符是數據結果或信息的格式化塊,它可以使主機知道這個設備.每個描述符包含了這個設備整體的信息或者某個元素的信息.所有的USB外設必須響應對標準的USB描述符的請求.

該系統中使用了1個接口和2個終端(控制和中斷輸入).由于受Win98的限制還不能使用中斷輸出終端,因此為了解決這個問題,我們通過在端點0中使用SetReport傳輸PC機欲送往IC卡門禁考勤設備的數 據.

　　數據接收是在Output Reports中完成的.它根據送往IC卡門禁考勤設備最大的數據量,系統定義為16K個8位域.發送數據給主機是在輸入報告中完成的,它是8K個8位域.

2、設備檢測和列舉

　　當1個USB人機接口類(HID)設備第一次連接到總線,它將被總線供電但仍然非功能性等待1個總線 復位.D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設備,主機也同時知道了新連接的USB設備,并將它復 位.緊跟輸入包之后,主機發送1個配置包,從缺省地址0處讀取設備描述符.讀到描述符后,主機 將分配一個新的地址給設備,并繼續查詢關于設備描述、配置描述、人機報告描述的信息,設備將 開始對新分配的地址作出反應.根據從設備處返回的信息,主機知道了被設備支持的數據終端的數 量,完成列舉過程.列舉結束后,Windows將把新的設備加入到控制面板的設備管理器中顯示.

為此,在微控制器中必須寫入訪問描述符的代碼,這樣便于對主機在列舉設備時發送的請求作出有 效的辨識和響應.在設備方面需要創建一個INF文件,使Windows能夠辨識設備,并且為設備找到其 驅動.由于操作系統提供了簡單的INF文件,因此,開發中只需要編寫寫入到微控制器中的程序.

3、數據發送和接收過程

　　發送數據到門禁考勤系統是通過控制端點0中使用SetReport來完成的.主機先向門禁考勤系統請求 發送數據,設備響應請求后,主機便開始執行. 當有數據到達設備的終端0時,將對設備產生一個 中斷.此時,相應的中斷服務程序便將數據復制到數據緩沖區.一旦進入端點0的中斷服務程序,所 有的中斷必須關閉,確保能夠正確地復制數據.

　　微處理器的數據緩沖區編程為可以接收64個字節,這個值是存放在設置包的包頭請求信息中.從主機處接收到的最大包大小,是根據它將發送給門禁考勤系統的最大數據量來決定的.

　　系統還使用了Put_command線程,通過1個 I/O端口引腳,向門禁考勤系統串口發送數據.在執行此線程時,根據串口通信協議插入了起始位、停止位以及相應的延時.

　　從門禁考勤系統接收數據的過程是利用端點1完成的.端點1配置為1個中斷輸入端點,當有1個起始 位到達引腳時,GPIO中斷必須打開,并關閉所有其它類型中斷.設計中通過使用1個Get_Serial線 程來收集I/O引腳發出的串行數據,并把它存入數據緩沖區.同時該線程負責檢驗接收到的起始位 和停止位的正確性.當收到8個字節時,將接收緩沖區中的數據復制到終端1的緩沖區,并且允許微 處理器響應中斷輸入請求.

　　考慮到一般串行口的有效波特率的范圍在300~19 200 bps,我們按處于最大波特率19 200 bps的情況來考慮,傳輸1個字符需要時間接近0.75ms;而1個輸入中斷大約每10 ms送1個8字節的數據包, 因此,設計1個128字節的快速數據緩沖區便可以保證不會丟失數據.

　　RS-232-USB接口轉換模塊用于改進我們的IC卡門禁考勤系統,使用效果良好.