中心議題：

• USB系統概述
• IC卡門(mén)禁考勤系統中RS232-USB的接口轉換要求
• IC卡門(mén)禁考勤系統中RS232-USB的接口轉換設計和執行

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(diǎn)，還能同時(shí)連接多達127個(gè)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(wèn)題.因此，越來(lái)越多的開(kāi)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(gè)設備接入計算機時(shí)，常采用的一種接入方式，其硬件實(shí)現簡(jiǎn)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(mén)禁考勤系統也使用RS-232接口與PC機通信。如果將USB技術(shù)應用于IC卡門(mén)禁考勤系統與PC機之間的數據通信，這樣，不僅能使IC卡門(mén)禁考勤設備具備USB通信的諸多優(yōu)點(diǎn)，而且對PC機而言還可以節余1個(gè)RS-232串口為其它通信所用。

1 USB系統概述

USB規范描述了總線(xiàn)特性、協(xié)議定義、編程接口以及其它設計和構建系統時(shí)所要求的特性。USB是一種主從總線(xiàn)，工作時(shí)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(xiàn)。USB設備可以是功能性的，如顯示器、鼠標或者集線(xiàn)器之類(lèi)。

它們可以作低速或者高速設備實(shí)現。低速設備最大速率限制在1.5Mb/s，每一個(gè)設備有一些專(zhuān)有寄存器，也就是端點(diǎn)(endpoint)在進(jìn)行數據交換時(shí)，可以通過(guò)設備驅動(dòng)間接訪(fǎng)問(wèn)它。每一個(gè)端點(diǎn)支持幾種特殊的傳輸類(lèi)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(guò)程，并根據設備描述表安裝設備驅動(dòng)后自動(dòng)重新配置系統，收集每個(gè)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主機根據這些信息配置設備、查找驅動(dòng)，并且與設備通信。

典型的USB數據傳輸是由設備驅動(dòng)開(kāi)始的，當它需要與設備通信時(shí)，設備驅動(dòng)提供內存緩沖區，用來(lái)存放設備收到或者即將發(fā)送的數據。USB驅動(dòng)提供USB設備驅動(dòng)和USB主控制器之間的接口，并將傳輸請求轉化為USB事務(wù)，轉化時(shí)需要與帶寬要求及協(xié)議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數據構成的，這時(shí)需要先將它劃分為幾個(gè)事物再進(jìn)行傳輸。

具有相似功能的設備可以組成一類(lèi)，這樣便于分享共有的特性和使用共同的設備驅動(dòng)程序。每個(gè)類(lèi)可以定義其自己的描述符，如：HID類(lèi)描述符和Report描述符。HID類(lèi)是由人控制計算機系統的設備組成的，它定義了一個(gè)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(diǎn)輸入中斷，固件也必須包括一個(gè)報告描述符，表明接收和發(fā)送數據的格式。在IC卡門(mén)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(lái)看，應該屬于HID設備。因此，兩種特殊的HID類(lèi)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(méi)有中斷輸出終端時(shí)，SetReport是主機發(fā)送數據給HID設備的唯一方式。

2 系統要求

為了實(shí)現IC卡門(mén)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(shí)還要提供主機上用于與外設通信的驅動(dòng)，一般由操作系統提供。此外，還需開(kāi)發(fā)在主機上執行的客戶(hù)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(xiě)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(guān)代碼。

2.1 主機要求
主機必須能夠通過(guò)設備驅動(dòng)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(gè)驅動(dòng)負責處理USB傳輸、辨識設備、向USB設備收發(fā)數據;同時(shí)，還需要有一個(gè)設備驅動(dòng)-虛擬化串行口，仿效真實(shí)的串口。這個(gè)驅動(dòng)必須能夠像真實(shí)的串口接收和發(fā)送USB數據。
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從應用的觀(guān)點(diǎn)，設備驅動(dòng)必須能收發(fā)數據，可以通過(guò)使用一個(gè)虛擬化的串口或通過(guò)轉化為USB數據實(shí)現。微軟提供了一個(gè)叫作USB POS的設備驅動(dòng)，它允許應用程序訪(fǎng)問(wèn)USB設備時(shí)，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。

2.2 設備要求
在定義即將使用的微控制器時(shí)，必須說(shuō)明一些通信要求，如：通信速率、頻率、傳輸的數據量等?？紤]到IC卡門(mén)禁考勤系統有效的通信速率，可以把轉換器作為一個(gè)低速的設備使用，低速設備通信速度可以在10~100Kb/s的范圍變化?？紤]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(lèi)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(lèi)型的傳輸要求在規定的時(shí)間里完成相當大數據量的傳輸任務(wù)。

對于轉換模塊，它可以用于PC機的數據收發(fā)，操作系統提供了HID驅動(dòng)，允許使用中斷傳輸模式。對于低速設備的一個(gè)事務(wù)，中斷傳輸最大的包容量是8字節，如果需要發(fā)送大量的數據，則必須把它分割為很多事務(wù)。

轉換模塊要定義的另一個(gè)特性是所需端點(diǎn)數。如上所述，端點(diǎn)是微控制器在USB通信過(guò)程中所用來(lái)發(fā)送和接收數據的緩沖區。此系統中，該轉換器定義了2個(gè)端點(diǎn)：一個(gè)端點(diǎn)(端點(diǎn)0)用來(lái)控制傳輸，另一個(gè)端點(diǎn)是中斷輸入端點(diǎn)，定義為發(fā)數據給PC機。

根據以上要求，通過(guò)研究比較現有的微控制器，考慮到如內存空間、價(jià)格和開(kāi)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(xiàn)結構，是對較高I/O要求的低速應用設備的低價(jià)解決方案。

圖2為IC卡門(mén)禁考勤系統USB通信實(shí)現硬件方框原理圖。

3 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(diǎn)中斷服務(wù)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(jiǎn)要描述其中部分模塊程序的功能和實(shí)現思想。

3.1 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(gè)設備。每個(gè)描述符包含了這個(gè)設備整體的信息或者某個(gè)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(gè)接口和2個(gè)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(gè)問(wèn)題，我們通過(guò)在端點(diǎn)0中使用SetReport傳輸PC機欲送往IC卡門(mén)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(mén)禁考勤設備最大的數據量，系統定義為16K個(gè)8位域.發(fā)送數據給主機是在輸入報告中完成的，它是8K個(gè)8位域。
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3.2 設備檢測和列舉
當1個(gè)USB人機接口類(lèi)(HID)設備第一次連接到總線(xiàn)，它將被總線(xiàn)供電但仍然非功能性等待1個(gè)總線(xiàn)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(shí)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(fā)送1個(gè)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(gè)新的地址給設備，并繼續查詢(xún)關(guān)于設備描述、配置描述、人機報告描述的信息，設備將開(kāi)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(guò)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(xiě)入訪(fǎng)問(wèn)描述符的代碼，這樣便于對主機在列舉設備時(shí)發(fā)送的請求作出有效的辨識和響應。在設備方面需要創(chuàng )建一個(gè)INF文件，使Windows能夠辨識設備，并且為設備找到其驅動(dòng)。由于操作系統提供了簡(jiǎn)單的INF文件，因此，開(kāi)發(fā)中只需要編寫(xiě)寫(xiě)入到微控制器中的程序。

3.3 數據發(fā)送和接收過(guò)程
發(fā)送數據到門(mén)禁考勤系統是通過(guò)控制端點(diǎn)0中使用SetReport來(lái)完成的.主機先向門(mén)禁考勤系統請求發(fā)送數據，設備響應請求后，主機便開(kāi)始執行。當有數據到達設備的終端0時(shí)，將對設備產(chǎn)生一個(gè)中斷。此時(shí)，相應的中斷服務(wù)程序便將數據復制到數據緩沖區。一旦進(jìn)入端點(diǎn)0的中斷服務(wù)程序，所有的中斷必須關(guān)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(gè)字節，這個(gè)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(fā)送給門(mén)禁考勤系統的最大數據量來(lái)決定的。

系統還使用了Put_command線(xiàn)程，通過(guò)1個(gè)I/O端口引腳，向門(mén)禁考勤系統串口發(fā)送數據。在執行此線(xiàn)程時(shí)，根據串口通信協(xié)議插入了起始位、停止位以及相應的延時(shí)。

從門(mén)禁考勤系統接收數據的過(guò)程是利用端點(diǎn)1完成的。端點(diǎn)1配置為1個(gè)中斷輸入端點(diǎn)，當有1個(gè)起始位到達引腳時(shí)，GPIO中斷必須打開(kāi)，并關(guān)閉所有其它類(lèi)型中斷。設計中通過(guò)使用1個(gè)Get_Serial線(xiàn)程來(lái)收集I/O引腳發(fā)出的串行數據，并把它存入數據緩沖區。同時(shí)該線(xiàn)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(gè)字節時(shí)，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300~19200bps，我們按處于最大波特率19200bps的情況來(lái)考慮，傳輸1個(gè)字符需要時(shí)間接近0.75ms;而1個(gè)輸入中斷大約每10ms送1個(gè)8字節的數據包，因此，設計1個(gè)128字節的快速數據緩沖區便可以保證不會(huì )丟失數據。

RS-232-USB接口轉換模塊用于改進(jìn)我們的IC卡門(mén)禁考勤系統，使用效果良好。