基于Qt實(shí)現USB CDC便攜式設備串口通信客戶(hù)端設計

摘要：為實(shí)現上位機Linux系統的Qt應用程序與下位機USB CDC便攜式設備之間的串口通信，本課題采用USB CDC類(lèi)協(xié)議，并根據協(xié)議在Linux下編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序，同時(shí)，搭建Linux-QT應用平臺利用QT可視化的圖形界面及豐富的圖形庫，設計并制作上位機應用程序圖形界面，并根據Linux下串口通信的應用層協(xié)議，最終實(shí)現了在QT界面上實(shí)時(shí)顯示便攜式設備的數據、狀態(tài)和控制便攜式設備。該方法簡(jiǎn)單、可靠、便于實(shí)際工程應用，解決了安裝有Linux操作系統的上位機用戶(hù)與便攜式設備通信不方便的問(wèn)題。因此，本課題對USB CDC便攜式設備用戶(hù)來(lái)說(shuō)將有廣闊的應用前景。

引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)電子科技的進(jìn)步和高新技術(shù)的不斷涌現，不少設備的技術(shù)性能越來(lái)越好，體積也越來(lái)越小，易于搬運和攜帶。具有USB接口的便攜式設備已經(jīng)走進(jìn)了人們的生活。在眾多USB產(chǎn)品中，有這樣一類(lèi)USB設備廣泛應用于我們的生產(chǎn)和生活中——使用USB CDC類(lèi)協(xié)議的設備，然而對于Linux下使用此類(lèi)設備的用戶(hù)來(lái)講，幾乎不可用的。因此，需要根據CDC類(lèi)通信協(xié)議編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序，以使用戶(hù)實(shí)現與USB CDC類(lèi)設備的數據通信。同時(shí)，在上位機環(huán)境下，利用QT軟件設計實(shí)現CDC類(lèi)設備串口通信應用程序，這樣用戶(hù)就可以輕松、方便地監視設備的當前狀態(tài)和控制設備行為。

　　另外，Linux是一個(gè)完全免費和基于UNIX和POSIX的用戶(hù)、多任務(wù)、支持多進(jìn)程線(xiàn)程和多核的操作系統，它具有完全兼容POSIX1.0標準、良好的界面、獨特的組織架構等特點(diǎn)。尤其是它配以擁有多種應用庫的QT軟件，使得本CDC類(lèi)設備串口通信應用程序設計簡(jiǎn)單，成本低廉，非常適合于推廣和應用。

1 USB和USB CDC協(xié)議

1.1 USB接口簡(jiǎn)介

　　通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB)是計算機連接外部設備裝置的一個(gè)高速串行通信協(xié)議標準，如今USB2.0已廣泛地應用在計算機上，同時(shí)也擴展到了家用機頂盒和游戲機上。另外，補充標準On-The-Go(OTG)使USB設備間能夠獨立地進(jìn)行數據交換。USB的出現大大簡(jiǎn)化了計算機和其它設備的數據通信，增強了計算機的擴展性，因而得到大范圍推廣[^1-2] 。

　　通信接口是便攜式設備必備的對外功能模塊之一。由于現今設備的多功能特點(diǎn)，造成數據傳送量呈幾何級數地增加，過(guò)去的通信協(xié)議標準如串口通信協(xié)議RS-232、并行通信接口協(xié)議LPT等存在傳輸速度低、誤碼率高、數據常常丟失等問(wèn)題[3]，已不能滿(mǎn)足社會(huì )發(fā)展的需求?？梢钥闯?，USB接口在便攜式設備上出現是一種必然趨勢。

1.2 CDC 類(lèi)簡(jiǎn)介

　　USB通訊協(xié)議組織制定了三個(gè)類(lèi)：通信設備類(lèi)、通信接口類(lèi)和數據接口類(lèi)。通訊設備類(lèi)是一種設備級別的定義，主機用該協(xié)議識別外部設備可以表現出的不同接口類(lèi)型。通信接口類(lèi)定義了一種可以使能USB上的所有類(lèi)型的通信服務(wù)的通用機制。數據接口類(lèi)定義了一種通用機制，當數據不能滿(mǎn)足其它通信類(lèi)的要求時(shí)，能使USB完成塊數據或者同步傳輸功能。其中，USB CDC類(lèi)是由通信接口類(lèi)和數據接口類(lèi)組合而成。針對不同的USB通信設備，CDC類(lèi)又被分成以下三個(gè)模式：傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)模式、 ISDN模式和網(wǎng)絡(luò )模式。而傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)模式可分為Direct Line Control Model、ACM(Abstract Control Model)和USB Telephone Model。本文所討論的便攜式設備串口通信就屬于USB 傳統純電話(huà)業(yè)務(wù)下的ACM模式^[4-5] 。

1.3 CDC 類(lèi)協(xié)議通信原理和接口函數

　　USB CDC類(lèi)協(xié)議所描述的USB CDC類(lèi)設備首先像一般的USB設備被USB Core所識別和描述，其次將信息上傳至更高層協(xié)議，也就是tty協(xié)議層，最后通過(guò)線(xiàn)路規程的方式，將tty協(xié)議層和usb協(xié)議層結合使用，完成CDC類(lèi)設備通信，即tty協(xié)議層負責應用程序串口通信，usb協(xié)議層負責CDC類(lèi)設備的識別、描述和通信^[9-10] ，如圖1所示。

　　本文中開(kāi)發(fā)的設備驅動(dòng)涉及的主要接口函數和過(guò)程如下：首先，當CDC類(lèi)設備接入USB接口時(shí)，利用初始化函數acm_init(void)初始化設備，再由探針函數acm_probe()對接入的設備識別檢測;其次，設備控制中斷函數acm_ctrl_irq()發(fā)出中斷，請求數據讀寫(xiě)，其中數據讀寫(xiě)函數為：批量塊傳輸讀函數acm_read_bulk()、批量塊傳輸寫(xiě)函數acm_write_bulk();再次，打開(kāi)tty協(xié)議層設備，并進(jìn)行數據通信，主要是以下五個(gè)函數：打開(kāi)tty設備函數acm_tty_open()、關(guān)閉函數acm_tty_close()、寫(xiě)函數acm_tty_write()、中斷控制函數acm_tty_break_ctl()和IO控制函數acm_tty_ioctl();最后，需要有設備驅動(dòng)的銷(xiāo)毀和退出函數：acm_disconnect()、acm_exit(void)。

2 QT軟件介紹及其界面設計

2.1 QT軟件簡(jiǎn)介

　　Qt是1991年由奇趣科技開(kāi)發(fā)的一個(gè)跨平臺C++圖形用戶(hù)界面應用程序開(kāi)發(fā)框架，它提供給應用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶(hù)界面所需的所有功能。因此，Qt的擴展性極強，允許多組件或模塊化編程。同時(shí)，Qt的跨平臺特性好，支持任何平臺的編譯與運行。另外，其獨有的信號和槽機制，使得觸發(fā)信號和數據在不同模塊間通信?？梢钥闯?，QT是專(zhuān)門(mén)面向用戶(hù)對象的，提供了圖形用戶(hù)界面的應用框架和窗口系統，具有極易的開(kāi)發(fā)特性，非常適合于linux下應用程序的開(kāi)發(fā)。QT Designer實(shí)現界面設計如下^[8] 。