一、引言

USB作為一種的PC機互連協議，使外設到計算機的連接更加高效、便利。這種接口適合于多種設備，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，解決了如資源沖突、中斷請求(IRQs)和直接數據通道(DMAs)等問題。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卡門禁考勤系統也使用RS-232接口與PC機通信。如果將USB技術應用于IC卡門禁考勤系統與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機而言還可以節余1個RS-232串口為其它通信所用。

二、USB系統概述

USB規范描述了總線特性、協議定義、編程接口以及其它設計和構建系統時所要求的特性。USB是一種主從總線，工作時USB主機處于主模式，設備處于從模式。USB系統所需要的唯一的系統資源是，USB系統軟件所使用的內存空間、USB主控制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制在1.5 Mb/s，每一個設備有一些專有寄存器，也就是端點(endpoint)在進行數據交換時，可以通過設備驅動間接訪問它。每一個端點支持幾種特殊的傳輸類型，并且有一個唯一的地址和傳輸方向。不同的是端點0僅用作控制傳輸，并且其傳輸可以是雙向的。

系統上電后，USB主機負責檢測設備的連接與拆除、初始化設備的列舉過程，并根據設備描述表安裝設備驅動后自動重新配置系統，收集每個設備的狀態信息。設備描述表標識了設備的屬性、特征，并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，并且與設備通信。

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沖區，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主控制器之間的接口，并將傳輸請求轉化為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，這樣便于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類是由人控制計算機系統的設備組成的，它定義了一個描述HID設備的結構，并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卡門禁考勤系統引入RS-232到USB的接口轉換模塊后，從系統所具有的特性來看，應該屬于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。

三、系統要求

為了實現IC卡門禁考勤系統中RS-232-USB的接口轉換，需要1臺支持USB的主機，同時還要提供主機上用于與外設通信的驅動，一般由操作系統提供。此外，還需開發在主機上執行的客戶端應用程序。在設備端需要提供具有USB接口的主控制器芯片，以及編寫主控制器上執行的USB通信代碼和用于執行外設功能的相關代碼。

1、主機要求

主機必須能夠通過設備驅動接收USB數據，并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。

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。系統大致結構方框圖如圖1所示。

2、設備要求

在定義即將使用的微控制器時，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卡門禁考勤系統有效的通信速率，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10~100 Kb/s的范圍變化?？紤]到傳輸的數據量和傳輸的頻率，此系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里完成相當大數據量的傳輸任務。

對于轉換模塊，它可以用于PC機的數據收發，操作系統提供了HID驅動，允許使用中斷傳輸模式。對于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，端點是微控制器在USB通信過程中所用來發送和接收數據的緩沖區。此系統中，該轉換器定義了2個端點：一個端點(端點0)用來控制傳輸，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制器，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微控制器CY7C*XX/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卡門禁考勤系統USB通信實現硬件方框原理圖

四、軟件設計和執行

系統軟件由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。下面簡要描述其中部分模塊程序的功能和實現思想。

1、描述符定義

描述符是數據結果或信息的格式化塊，它可以使主機知道這個設備。每個描述符包含了這個設備整體的信息或者某個元素的信息。所有的USB外設必須響應對標準的USB描述符的請求。

該系統中使用了1個接口和2個終端(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。根據送往IC卡門禁考勤設備最大的數據量，系統定義為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。

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個總線復位。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，并將它復位。緊跟輸入包之后，主機發送1個配置包，從缺省地址0處讀取設備描述符。讀到描述符后，主機將分配一個新的地址給設備，并繼續查詢關于設備描述、配置描述、人機報告描述的信息，設備將開始對新分配的地址作出反應。根據從設備處返回的信息。主機知道了被設備支持的數據終端的數量，完成列舉過程。列舉結束后，Windows將把新的設備加入到控制面板的設備管理器中顯示。

為此，在微控制器中必須寫入訪問描述符的代碼，這樣便于對主機在列舉設備時發送的請求作出有效的辨識和響應。在設備方面需要創建一個INF文件，使Windows能夠辨識設備，并且為設備找到其驅動。由于操作系統提供了簡單的INF文件，因此，開發中只需要編寫寫入到微控制器中的程序。

3、數據發送和接收過程

發送數據到門禁考勤系統是通過控制端點0中使用SetReport來完成的。主機先向門禁考勤系統請求發送數據，設備響應請求后，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復制到數據緩沖區。一旦進入端點0的中斷服務程序，所有的中斷必須關閉，確保能夠正確地復制數據。

微處理器的數據緩沖區編程為可以接收64個字節，這個值是存放在設置包的包頭請求信息中。從主機處接收到的最大包大小，是根據它將發送給門禁考勤系統的最大數據量來決定的。

系統還使用了Put_command線程，通過1個I/O端口引腳，向門禁考勤系統串口發送數據。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。

從門禁考勤系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，并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，并把它存入數據緩沖區。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，將接收緩沖區中的數據復制到終端1的緩沖區，并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范圍在300~19 200 bps，我們按處于最大波特率19 200 bps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10 ms送1個8字節的數據包，因此設計1個128字節的快速數據緩沖區便可以保證不會丟失數據。

RS-232-USB接口轉換模塊用于改進我們的IC卡門禁考勤系統，使用效果良好。