USB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。
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。

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1.5 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，並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

、初始化設備的列舉過程,並根據設備描述表安裝設備驅動後自動重新配置係統，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，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。

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USB的(de)主(zhu)機(ji)，同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)提(ti)供(gong)主(zhu)機(ji)上(shang)用(yong)於(yu)與(yu)外(wai)設(she)通(tong)信(xin)的(de)驅(qu)動(dong)，一(yi)般(ban)由(you)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)。此(ci)外(wai)，還(hai)需(xu)開(kai)發(fa)在(zai)主(zhu)機(ji)上(shang)執(zhi)行(xing)的(de)客(ke)戶(hu)端(duan)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)。在(zai)設(she)備(bei)端(duan)需(xu)要(yao)提(ti)供(gong)具(ju)有(you)USB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。

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。

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。
[page]
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10~100 Kb/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。

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。

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(de)USB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。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。

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、renjibaogaomiaoshudexinxi，shebeijiangkaishiduixinfenpeidedizhizuochufanying。genjucongshebeichufanhuidexinxi。zhujizhidaolebeishebeizhichideshujuzhongduandeshuliang
，wanchengliejuguocheng.列舉結束後，Windows將把新的設備加入到控製麵板的設備管理器中顯示。

為此,在微控製器中必須寫入訪問描述符的代碼，這樣便於對主機在列舉設備時發送的請求作出有效的辨識和響應.在設備方麵需要創建一個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、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64gezijie
，zhegezhishicunfangzaishezhibaodebaotouqingqiuxinxizhong。congzhujichujieshoudaodezuidabaodaxiao
，shigenjutajiangfasonggeimenjinkaoqinxitongdezuidashujulianglaijuedingde。

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300~19 200 bps
，我們按處於最大波特率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。

相關閱讀：

每周一問精華解答：如何進行USB接口電磁兼容設計？
方案對比：三種USB接口充電電路設計方案
高分辨率傳感器USB接口設計