中心議題：

• USB係統概述
• IC卡門禁考勤係統中RS232-USB的接口轉換要求
• IC卡門禁考勤係統中RS232-USB的接口轉換設計和執行

USB作為一種新的PC機互連協議，使外設到計算機的連接更加高效、便利.這種接口適合於多種設備，不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點，還能同時連接多達127個設備，解決了如資源衝突、中斷請求(IRQs)和直接數據通道(DMAs)等問題.因此
，越來越多的開發者欲在自己的產品中使用這種標準接口。

而RS-232是單個設備接入計算機時，常采用的一種接入方式，其硬件實現簡單，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卡門禁考勤係統也使用RS-232接口與PC機通信。如果將USB技術應用於IC卡門禁考勤係統與PC機之間的數據通信，這樣
，不僅能使IC卡門禁考勤設備具備USB通信的諸多優點，而且對PC機而言還可以節餘1個RS-232串口為其它通信所用。

1 USB係統概述

USB規範描述了總線特性、協議定義、編程接口以及其它設計和構建係統時所要求的特性。USB是一種主從總線，工作時USB主機處於主模式，設備處於從模式。USB係統所需要的唯一的係統資源是，USB係統軟件所使用的內存空間
、USB主控製器所使用的內存地址空間(I/O地址空間)和中斷請求(IRQ)線。USB設備可以是功能性的，如顯示器
、鼠標或者集線器之類。

它們可以作低速或者高速設備實現。低速設備最大速率限製在1.5Mb/s，每一個設備有一些專有寄存器，也就是端點(endpoint)在zai進jin行xing數shu據ju交jiao換huan時shi，可ke以yi通tong過guo設she備bei驅qu動dong間jian接jie訪fang問wen它ta。每mei一yi個ge端duan點dian支zhi持chi幾ji種zhong特te殊shu的de傳chuan輸shu類lei型xing，並bing且qie有you一yi個ge唯wei一yi的de地di址zhi和he傳chuan輸shu方fang向xiang。不bu同tong的de是shi端duan點dian0僅用作控製傳輸，並且其傳輸可以是雙向的。

係統上電後

，USB主機負責檢測設備的連接與拆除、chushihuashebeideliejuguocheng
，binggenjushebeimiaoshubiaoanzhuangshebeiqudonghouzidongzhongxinpeizhixitong，shoujimeigeshebeidezhuangtaixinxi。shebeimiaoshubiaobiaoshileshebeideshuxing
、特征並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，並且與設備通信。

典型的USB數據傳輸是由設備驅動開始的，當它需要與設備通信時，設備驅動提供內存緩衝區，用來存放設備收到或者即將發送的數據。USB驅動提供USB設備驅動和USB主控製器之間的接口
，並將傳輸請求轉化為USB事務，轉化時需要與帶寬要求及協議結構保持一致。某些傳輸是由大塊數據構成的，這時需要先將它劃分為幾個事物再進行傳輸。

具有相似功能的設備可以組成一類，這樣便於分享共有的特性和使用共同的設備驅動程序。每個類可以定義其自己的描述符，如：HID類描述符和Report描述符。HID類是由人控製計算機係統的設備組成的
，它定義了一個描述HID設備的結構，並且表明了設備的通信要求。HID設備描述符必須支持端點輸入中斷
，固件也必須包括一個報告描述符，表明接收和發送數據的格式。在IC卡門禁考勤係統引入RS-232到USB的接口轉換模塊後

，從係統所具有的特性來看
，應該屬於HID設備。因此，兩種特殊的HID類請求必須被支持：SetReport和GetReport。這些請求使設備能接收和發送一般的設備信息給主機。在沒有中斷輸出終端時

，SetReport是主機發送數據給HID設備的唯一方式。

2 係統要求

為了實現IC卡門禁考勤係統中RS-232-USB的接口轉換，需要1台支持USBdezhuji，tongshihaiyaotigongzhujishangyongyuyuwaishetongxindequdong

，yibanyoucaozuoxitongtigong。ciwai，haixukaifazaizhujishangzhixingdekehuduanyingyongchengxu。zaishebeiduan
，xuyaotigongjuyouUSB接口的主控製器芯片，以及編寫主控製器上執行的USB通信代碼和用於執行外設功能的相關代碼。

2.1 主機要求
主機必須能夠通過設備驅動接收USB數據，並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驅動負責處理USB傳輸
、辨識設備、向USB設備收發數據;同時
，還需要有一個設備驅動-虛擬化串行口
，仿效真實的串口。這個驅動必須能夠像真實的串口接收和發送USB數據。
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從應用的觀點
，設備驅動必須能收發數據，可以通過使用一個虛擬化的串口或通過轉化為USB數據實現。微軟提供了一個叫作USB POS的設備驅動
，它允許應用程序訪問USB設備時
，好像它們連接到標準串口上一樣。係統大致結構方框圖如圖1所示。

2.2 設備要求
在定義即將使用的微控製器時

，必須說明一些通信要求，如：通信速率
、頻率、傳輸的數據量等。考慮到IC卡門禁考勤係統有效的通信速率，可以把轉換器作為一個低速的設備使用，低速設備通信速度可以在10~100Kb/s的範圍變化。考慮到傳輸的數據量和傳輸的頻率，此係統中使用中斷的傳輸類型。中斷傳輸可以在2個方向進行，但不能同時進行，這種類型的傳輸要求在規定的時間裏完成相當大數據量的傳輸任務。

對於轉換模塊，它可以用於PC機的數據收發，操作係統提供了HID驅動，允許使用中斷傳輸模式。對於低速設備的一個事務，中斷傳輸最大的包容量是8字節
，如果需要發送大量的數據，則必須把它分割為很多事務。

轉換模塊要定義的另一個特性是所需端點數。如上所述，端點是微控製器在USB通信過程中所用來發送和接收數據的緩衝區。此係統中，該轉換器定義了2個端點：一個端點(端點0)用來控製傳輸，另一個端點是中斷輸入端點
，定義為發數據給PC機。

根據以上要求，通過研究比較現有的微控製器，考慮到如內存空間
、價格和開發包等因素，我們選用Cypress家族的一種8位RISC微控製器CY7C634XX/5XX。它使用哈佛總線結構
，是對較高I/O要求的低速應用設備的低價解決方案。

圖2為IC卡門禁考勤係統USB通信實現硬件方框原理圖。

3 軟件設計和執行

係統軟件由6部分組成：定義描述符、設備檢測和列舉、端點中斷服務程序、USB數據交換模塊、串行口數據交換模塊、USB/Serial模塊接口。下麵簡要描述其中部分模塊程序的功能和實現思想。

3.1 描述符定義
描miao述shu符fu是shi數shu據ju結jie果guo或huo信xin息xi的de格ge式shi化hua塊kuai

，它ta可ke以yi使shi主zhu機ji知zhi道dao這zhe個ge設she備bei。每mei個ge描miao述shu符fu包bao含han了le這zhe個ge設she備bei整zheng體ti的de信xin息xi或huo者zhe某mou個ge元yuan素su的de信xin息xi。所suo有you的deUSB外設必須響應對標準的USB描述符的請求。

該係統中使用了1個接口和2個終端(控製和中斷輸入)。由於受Win98的限製還不能使用中斷輸出終端
，因此為了解決這個問題，我們通過在端點0中使用SetReport傳輸PC機欲送往IC卡門禁考勤設備的數據。

數據接收是在Output Reports中完成的。它根據送往IC卡門禁考勤設備最大的數據量
，係統定義為16K個8位域.發送數據給主機是在輸入報告中完成的，它是8K個8位域。
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3.2 設備檢測和列舉
當1個USB人機接口類(HID)設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個總線複位。D-端的上拉電阻通知Hub連接上了新的設備，主機也同時知道了新連接的USB設備，並將它複位。緊跟輸入包之後，主機發送1個配置包
，從缺省地址0處讀取設備描述符。讀到描述符後，主機將分配一個新的地址給設備，並繼續查詢關於設備描述
、配置描述、人(ren)機(ji)報(bao)告(gao)描(miao)述(shu)的(de)信(xin)息(xi)，設(she)備(bei)將(jiang)開(kai)始(shi)對(dui)新(xin)分(fen)配(pei)的(de)地(di)址(zhi)作(zuo)出(chu)反(fan)應(ying)。根(gen)據(ju)從(cong)設(she)備(bei)處(chu)返(fan)回(hui)的(de)信(xin)息(xi)
，主(zhu)機(ji)知(zhi)道(dao)了(le)被(bei)設(she)備(bei)支(zhi)持(chi)的(de)數(shu)據(ju)終(zhong)端(duan)的(de)數(shu)量(liang)，完(wan)成(cheng)列(lie)舉(ju)過(guo)程(cheng)。列(lie)舉(ju)結(jie)束(shu)後(hou)
，Windows將把新的設備加入到控製麵板的設備管理器中顯示。

為(wei)此(ci)，在(zai)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)必(bi)須(xu)寫(xie)入(ru)訪(fang)問(wen)描(miao)述(shu)符(fu)的(de)代(dai)碼(ma)，這(zhe)樣(yang)便(bian)於(yu)對(dui)主(zhu)機(ji)在(zai)列(lie)舉(ju)設(she)備(bei)時(shi)發(fa)送(song)的(de)請(qing)求(qiu)作(zuo)出(chu)有(you)效(xiao)的(de)辨(bian)識(shi)和(he)響(xiang)應(ying)。在(zai)設(she)備(bei)方(fang)麵(mian)需(xu)要(yao)創(chuang)建(jian)一(yi)個(ge)INF文件，使Windows能夠辨識設備，並且為設備找到其驅動。由於操作係統提供了簡單的INF文件，因此，開發中隻需要編寫寫入到微控製器中的程序。

3.3 數據發送和接收過程
發送數據到門禁考勤係統是通過控製端點0中使用SetReport來完成的.主機先向門禁考勤係統請求發送數據，設備響應請求後
，主機便開始執行。當有數據到達設備的終端0時，將對設備產生一個中斷。此時
，相應的中斷服務程序便將數據複製到數據緩衝區。一旦進入端點0的中斷服務程序，所有的中斷必須關閉，確保能夠正確地複製數據。

微處理器的數據緩衝區編程為可以接收64個(ge)字(zi)節(jie)，這(zhe)個(ge)值(zhi)是(shi)存(cun)放(fang)在(zai)設(she)置(zhi)包(bao)的(de)包(bao)頭(tou)請(qing)求(qiu)信(xin)息(xi)中(zhong)。從(cong)主(zhu)機(ji)處(chu)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)最(zui)大(da)包(bao)大(da)小(xiao)，是(shi)根(gen)據(ju)它(ta)將(jiang)發(fa)送(song)給(gei)門(men)禁(jin)考(kao)勤(qin)係(xi)統(tong)的(de)最(zui)大(da)數(shu)據(ju)量(liang)來(lai)決(jue)定(ding)的(de)。

係統還使用了Put_command線程，通過1個I/O端口引腳
，向門禁考勤係統串口發送數據。在執行此線程時，根據串口通信協議插入了起始位

、停止位以及相應的延時。

從門禁考勤係統接收數據的過程是利用端點1完成的。端點1配置為1個中斷輸入端點，當有1個起始位到達引腳時
，GPIO中斷必須打開，並關閉所有其它類型中斷。設計中通過使用1個Get_Serial線程來收集I/O引腳發出的串行數據，並把它存入數據緩衝區。同時該線程負責檢驗接收到的起始位和停止位的正確性。當收到8個字節時
，將接收緩衝區中的數據複製到終端1的緩衝區

，並且允許微處理器響應中斷輸入請求。

考慮到一般串行口的有效波特率的範圍在300~19200bps

，我們按處於最大波特率19200bps的情況來考慮，傳輸1個字符需要時間接近0.75ms;而1個輸入中斷大約每10ms送1個8字節的數據包，因此
，設計1個128字節的快速數據緩衝區便可以保證不會丟失數據。

RS-232-USB接口轉換模塊用於改進我們的IC卡門禁考勤係統，使用效果良好。