RS232接口轉USB接口的通訊方法

摘 要：USB通用串行總線(xiàn)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, 因此很多傳統的RS-232接口設備都將面臨一個(gè)向USB接口轉換的問(wèn)題.本文以IC卡門(mén)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(guò)USB總線(xiàn)接入PC, 同時(shí)使IC卡 門(mén)禁考勤設備增加了USB總線(xiàn)具有的熱插拔、自動(dòng)配置和智能電源管理等功能;著(zhù)重剖析USB通信 內核,探討系統軟硬件設計方案. 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(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.

二、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1.5 Mb/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.

三、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.
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.
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、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.考 慮到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10~100 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(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.