一,、引言
USB作為一種新的PC機(jī)互連協(xié)議，使外設(shè)到計(jì)算機(jī)的連接更加高效,、便利.這種接口適合于多種設(shè)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(dá)127個(gè)設(shè)備,解決了如資源沖突、中斷請(qǐng)求(IRQs)和直接數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)接口,。而RS-232是單個(gè)設(shè)備接入計(jì)算機(jī)時(shí),，常采用的一種接入方式，其硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，因此在傳統(tǒng)的設(shè)備中有很多采用了這種通信方式,。

二、USB系統(tǒng)概述
USB規(guī)范描述了總線特性,、協(xié)議定義,、編程接口以及其它設(shè)計(jì)和構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)所要求的特性。USB是一種主從總線,工作時(shí)USB主機(jī)處于主模式,設(shè)備處于從模式,。USB系統(tǒng)所需要的唯一的系統(tǒng)資源是,，USB系統(tǒng)軟件所使用的內(nèi)存空間、USB主控制器所使用的內(nèi)存地址空間(I/O地址空間)和中斷請(qǐng)求(IRQ)線,。USB設(shè)備可以是功能性的如顯示器,、鼠標(biāo)或者集線器之類.它們可以作低速或者高速設(shè)備實(shí)現(xiàn)。低速設(shè)備最大速率限制在1.5 Mb/s,，每一個(gè)設(shè)備有一些專有寄存器,也就是端點(diǎn)(endpoint) 在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí),可以通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)間接訪問(wèn)它,。每一個(gè)端點(diǎn)支持幾種特殊的傳輸類型，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(tǒng)上電后,USB主機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)設(shè)備的連接與拆除,、初始化設(shè)備的列舉過(guò)程,并根據(jù)設(shè)備描述表安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)后自動(dòng)重新配置系統(tǒng),，收集每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息。設(shè)備描述表標(biāo)識(shí)了設(shè)備的屬性,、特征并描述了設(shè)備的通信要求.USB主機(jī)根據(jù)這些信息配置設(shè)備,、查找驅(qū)動(dòng),并且與設(shè)備通信。典型的USB數(shù)據(jù)傳輸是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)始的,，當(dāng)它需要與設(shè)備通信時(shí),設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供內(nèi)存緩沖區(qū),，用來(lái)存放設(shè)備收到或者即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。USB驅(qū)動(dòng)提供USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)和USB主控制器之間的接口,，并將傳輸請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為USB事務(wù),，轉(zhuǎn)化時(shí)需要與帶寬要求及協(xié)議結(jié)構(gòu)保持一致。某些傳輸是由大塊數(shù)據(jù)構(gòu)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(shè)備可以組成一類，這樣便于分享共有的特性和使用共同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。每個(gè)類可以定義其自己的描述符,，如：HID類描述符和Report描述符.HID類是由人控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備組成的，它定義了一個(gè)描述HID設(shè)備的結(jié)構(gòu),，并且表明了設(shè)備的通信要求,。HID設(shè)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(bào)告描述符,表明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的格式。在IC卡門禁考勤系統(tǒng)引入RS-232到USB的接口轉(zhuǎn)換模塊后,，從系統(tǒng)所具有的特性來(lái)看,應(yīng)該屬于HID設(shè)備,。因此兩種特殊的HID類請(qǐng)求必須被支持：SetReport和GetReport .這些請(qǐng)求使設(shè)備能接收和發(fā)送一般的設(shè)備信息給主機(jī)。在沒(méi)有中斷輸出終端時(shí),，SetReport是主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給HID設(shè)備的唯一方式,。

　　三、系統(tǒng)要求
為了實(shí)現(xiàn)IC卡門禁考勤系統(tǒng)中RS-232-USB的接口轉(zhuǎn)換,需要1臺(tái)支持USB的主機(jī),，同時(shí)還要提供主機(jī)上用于與外設(shè)通信的驅(qū)動(dòng),，一般由操作系統(tǒng)提供。此外,，還需開(kāi)發(fā)在主機(jī)上執(zhí)行的客戶端應(yīng)用程序,。在設(shè)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(zhí)行的USB通信代碼和用于執(zhí)行外設(shè)功能的相關(guān)代碼,。
　　1,、主機(jī)要求
　　主機(jī)必須能夠通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接收USB數(shù)據(jù)，并且使這些數(shù)據(jù)對(duì)處理這些請(qǐng)求的應(yīng)用程序有效,。在主機(jī)中必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)處理USB傳輸,、辨識(shí)設(shè)備、向USB設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù),；同時(shí),，還需要有一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)-虛擬化串行口，仿效真實(shí)的串口.這個(gè)驅(qū)動(dòng)必須能夠像真實(shí)的串口接收和發(fā)送USB數(shù)據(jù),。
　　從應(yīng)用的觀點(diǎn),，設(shè)備驅(qū)動(dòng)必須能收發(fā)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)使用一個(gè)虛擬化的串口或通過(guò)轉(zhuǎn)化為USB 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn),。微軟提供了一個(gè)叫作USB POS的設(shè)備驅(qū)動(dòng),，它允許應(yīng)用程序訪問(wèn)USB設(shè)備時(shí)，好像它們連接到標(biāo)準(zhǔn)串口上一樣,。系統(tǒng)大致結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。

2,、設(shè)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?shù)臄?shù)據(jù)量等,。考慮到IC卡門禁考勤系統(tǒng)有效的通信速率,，可以把轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)低速的設(shè)備使用，低速設(shè)備通信速度可以在10~100 Kb/s的范圍變化,。考慮到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和傳輸?shù)念l率,，此系統(tǒng)中使用中斷的傳輸類型,，中斷傳輸可以在2個(gè)方向進(jìn)行，但不能同時(shí)進(jìn)行,，這種類型的傳輸要求在規(guī)定的時(shí)間里完成相當(dāng)大數(shù)據(jù)量的傳輸任務(wù),。
　　對(duì)于轉(zhuǎn)換模塊，它可以用于PC機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā),，操作系統(tǒng)提供了HID驅(qū)動(dòng),，允許使用中斷傳輸模式。對(duì)于低速設(shè)備的一個(gè)事務(wù),，中斷傳輸最大的包容量是8字節(jié),，如果需要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)。則必須把它分割為很多事務(wù),。
　　轉(zhuǎn)換模塊要定義的另一個(gè)特性是所需端點(diǎn)數(shù),。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(shù)據(jù)的緩沖區(qū),。此系統(tǒng)中,，該轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)給PC機(jī),。
　　根據(jù)以上要求，通過(guò)研究比較現(xiàn)有的微控制器,，考慮到如內(nèi)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CY7C*XX/5XX,。它使用哈佛總線結(jié)構(gòu),，是對(duì)較高I/O要求的低速應(yīng)用設(shè)備的低價(jià)解決方案。

圖2為IC卡門禁考勤系統(tǒng)USB通信實(shí)現(xiàn)硬件方框原理圖,。
　　四,、軟件設(shè)計(jì)和執(zhí)行
　　系統(tǒng)軟件由6部分組成：定義描述符、設(shè)備檢測(cè)和列舉,、端點(diǎn)中斷服務(wù)程序,、USB數(shù)據(jù)交換模塊、串行口數(shù)據(jù)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(xiàn)思想。
　　1,、描述符定義
　　描述符是數(shù)據(jù)結(jié)果或信息的格式化塊,，它可以使主機(jī)知道這個(gè)設(shè)備,。每個(gè)描述符包含了這個(gè)設(shè)備整體的信息或者某個(gè)元素的信息。所有的USB外設(shè)必須響應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的USB描述符的請(qǐng)求,。
　　該系統(tǒng)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(jī)欲送往IC卡門禁考勤設(shè)備的數(shù)據(jù),。
　　數(shù)據(jù)接收是在Output Reports中完成的。根據(jù)送往IC卡門禁考勤設(shè)備最大的數(shù)據(jù)量,，系統(tǒng)定義為16K個(gè)8位域.發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)是在輸入報(bào)告中完成的,，它是8K個(gè)8位域。

　2,、設(shè)備檢測(cè)和列舉
　　當(dāng)1個(gè)USB人機(jī)接口類(HID)設(shè)備第一次連接到總線,，它將被總線供電但仍然非功能性等待1個(gè)總線復(fù)位。D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設(shè)備,，主機(jī)也同時(shí)知道了新連接的USB設(shè)備,，并將它復(fù)位。緊跟輸入包之后,主機(jī)發(fā)送1個(gè)配置包,，從缺省地址0處讀取設(shè)備描述符.讀到描述符后,，主機(jī)將分配一個(gè)新的地址給設(shè)備,并繼續(xù)查詢關(guān)于設(shè)備描述、配置描述,、人機(jī)報(bào)告描述的信息,，設(shè)備將開(kāi)始對(duì)新分配的地址作出反應(yīng)。根據(jù)從設(shè)備處返回的信息,。主機(jī)知道了被設(shè)備支持的數(shù)據(jù)終端的數(shù)量,，完成列舉過(guò)程.列舉結(jié)束后，Windows將把新的設(shè)備加入到控制面板的設(shè)備管理器中顯示,。
　　為此,在微控制器中必須寫(xiě)入訪問(wèn)描述符的代碼,，這樣便于對(duì)主機(jī)在列舉設(shè)備時(shí)發(fā)送的請(qǐng)求作出有效的辨識(shí)和響應(yīng).在設(shè)備方面需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)INF文件，使Windows能夠辨識(shí)設(shè)備,并且為設(shè)備找到其驅(qū)動(dòng),。由于操作系統(tǒng)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,、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)程
　　發(fā)送數(shù)據(jù)到門禁考勤系統(tǒng)是通過(guò)控制端點(diǎn)0中使用SetReport來(lái)完成的。主機(jī)先向門禁考勤系統(tǒng)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù),，設(shè)備響應(yīng)請(qǐng)求后，主機(jī)便開(kāi)始執(zhí)行,。當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)備的終端0時(shí),將對(duì)設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)中斷,。此時(shí)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序便將數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)緩沖區(qū),。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(fù)制數(shù)據(jù),。
　　微處理器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)編程為可以接收64個(gè)字節(jié)，這個(gè)值是存放在設(shè)置包的包頭請(qǐng)求信息中,。從主機(jī)處接收到的最大包大小,，是根據(jù)它將發(fā)送給門禁考勤系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)量來(lái)決定的。
　　系統(tǒng)還使用了Put_command線程,，通過(guò)1個(gè) I/O端口引腳,，向門禁考勤系統(tǒng)串口發(fā)送數(shù)據(jù)。在執(zhí)行此線程時(shí),根據(jù)串口通信協(xié)議插入了起始位,、停止位以及相應(yīng)的延時(shí),。
　　從門禁考勤系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)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(dāng)有1個(gè)起始位到達(dá)引腳時(shí),，GPIO中斷必須打開(kāi)，并關(guān)閉所有其它類型中斷,。設(shè)計(jì)中通過(guò)使用1個(gè)Get_Serial線程來(lái)收集I/O引腳發(fā)出的串行數(shù)據(jù),，并把它存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū).同時(shí)該線程負(fù)責(zé)檢驗(yàn)接收到的起始位和停止位的正確性。當(dāng)收到8個(gè)字節(jié)時(shí),，將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到終端1的緩沖區(qū),，并且允許微處理器響應(yīng)中斷輸入請(qǐng)求。
　　考慮到一般串行口的有效波特率的范圍在300~19 200 bps,，我們按處于最大波特率19 200 bps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10 ms送1個(gè)8字節(jié)的數(shù)據(jù)包,，因此設(shè)計(jì)1個(gè)128字節(jié)的快速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)便可以保證不會(huì)丟失數(shù)據(jù),。
　　RS-232-USB接口轉(zhuǎn)換模塊用于改進(jìn)我們的IC卡門禁考勤系統(tǒng)，使用效果良好,。