RS232接口转USB接口的通信方法

摘 要：USB通用串行总线是计算机外设接口的发展趋势,将逐渐取代PC机上的RS-232协议串口, 因此很多传统的RS-232接口设备都将面临一个向USB接口转换的问题.本文以IC卡门禁考勤系统为 例,提出一种方案,使传统的RS-232接口转化为USB接口后直接通过USB总线接入PC, 同时使IC卡 门禁考勤设备增加了USB总线具有的热插拔、自动配置和智能电源管理等功能;着重剖析USB通信 内核,探讨系统软硬件设计方案. 关键词：USB;终端;人机接口设备(HID);列举

一、引言 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RS-232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RS-232 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RS-232串口为其它通 信所用.

二、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RS-232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.

三、系统要求 为了实现IC卡门禁考勤系统中RS-232-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.
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.

2、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.

四、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.

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.

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、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0.75ms;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.

　　RS-232-USB接口转换模块用于改进我们的IC卡门禁考勤系统,使用效果良好.