USB技術(shù)在情報指揮系統(tǒng)維修模擬器中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：USB；控制傳輸；固件；驅(qū)動
1、工作原理
情報指揮系統(tǒng)維修模擬訓練器屬于分布式仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，各仿真節(jié)點由單體計算機和仿真單體組成，仿真網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)，主控機用于集中配置各單體參數(shù)，觸摸屏用于模擬操作界面。因為USB總線具有結(jié)構(gòu)簡單、即插即用、低功耗、廣泛的軟硬件支持等優(yōu)點，傳輸速度也從USB1.1協(xié)議支持的12Mbps 發(fā)展到了USB2.0協(xié)議支持的480Mbps，另外其星型拓撲結(jié)構(gòu)能支持多達127個外設(shè)同時工作，所以本系統(tǒng)采用USB總線來實現(xiàn)單體計算機和仿真單體之間的控制和通信。
圖1 系統(tǒng)框圖
1．1 USB的枚舉與重枚舉
USB芯片具有軟特性，外設(shè)可以利用USB接口從主機下載8051程序代碼到內(nèi)部RAM運行，而不需要外部程序存儲器，方便了固件調(diào)試和升級。為支持這種軟特性，USB將端點0作為默認地址，外設(shè)初次連接主機時作為默認設(shè)備使用端點0進行自動枚舉，當固件下載到內(nèi)部RAM后，經(jīng)過重枚舉使外設(shè)具有用戶在固件中設(shè)置的功能屬性。
外設(shè)和主機連接時會自動加載驅(qū)動程序，加載什么驅(qū)動程序由USB設(shè)備描述符中的VID（2個字節(jié)）和PID（2個字節(jié)）決定，默認設(shè)備的VID和PID是0547和2131。當有多個外設(shè)同時工作時，需要不同的VID和PID加以區(qū)分，可利用EEPROM來存儲外設(shè)的VID和PID信息，以便加載對應(yīng)的驅(qū)動程序。
1．2 USB傳輸類型
USB定義了控制、中斷、批量和同步四種數(shù)據(jù)傳輸類型?？刂苽鬏斒亲顝?fù)雜和重要的傳輸類型，也是USB枚舉階段最主要的數(shù)據(jù)交換方式。USB設(shè)備初次連到主機后就是通過控制傳輸來讀取地址信息和設(shè)備描述符的，這樣主機才能識別設(shè)備并安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序，其它三種傳輸方式也才能夠得以使用。因此，控制傳輸是其它三種傳輸?shù)那疤岷突A(chǔ)。
中斷傳輸主要用于數(shù)據(jù)量小、速度要求不高的數(shù)據(jù)傳輸，如鼠標、鍵盤等；批量傳輸主要用于大容量數(shù)據(jù)的傳輸，比如硬盤接口、刻錄機接口等；同步傳輸多用于音頻流等需要恒定傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸，比如音箱、顯示器的接口等。
在維修模擬訓練器中，單體計算機和仿真單體之間傳輸?shù)闹饕强刂菩畔?，?shù)據(jù)量不大，因此主要采用控制傳輸。
2、 USB硬件電路設(shè)計
USB硬件電路的核心是USB芯片，本電路采用的是Cypress公司提供的AN2131QC，封裝形式為80引腳PQFP。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，USB收發(fā)器與USB總線的 D+和D-相連，串行接口引擎對串行數(shù)據(jù)進行編碼和譯碼，并執(zhí)行錯誤更正、位填充等操作，最后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)到端口或從端口接收數(shù)據(jù)字節(jié)。內(nèi)部微處理器是一個改進的8051內(nèi)核，使用標準的8051指令系統(tǒng)，但執(zhí)行速度更快，功能更強，與標準8051相比具有以下不同：
（1）一個總線周期包含4個時鐘周期，空閑周期被消去，而標準8051則為12個時鐘周期，因此速度提高了3倍；
（2）增加了第二個數(shù)據(jù)指針；
（3）增加了第二個UART；
（4）增加了第三個16位定時器；
（5）非多路復(fù)用的16位地址總線；
（6）增加了8個中斷。
設(shè)計AN2131QC的外圍電路時，要注意以下幾個問題：
（1）AN2131QC有總線供電和外部供電兩種供電方式，主機可以向外圍USB設(shè)備提供最大500mA的電流，當USB設(shè)備耗電小于500mA時就可以使用總線供電。AN2131QC的工作電壓是+3.3V，總線提供的電壓是+5V，可以用電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX882或AMS1117進行電壓轉(zhuǎn)換。電源引腳2、21、22、42、62都接+3.3V，并通過一個0.1uF電容接地，使電壓更加穩(wěn)定。引腳5、6、13、14、72通過 1K電阻接地。
（2）USBD+和USBD-通過24Ω電阻接到USB總線的D+和D-，可抑制噪聲干擾。
（3）Xin（19）和Xout（20）之間接12MHz晶振，并通過兩個30pF電容接地。
（4）Reset(25)引腳通過0.1uF電容接+3.3V，10K電阻接地。
（5）SDA(64)、SCL(65)、Wakeup(66)、WR(40)、RD(41)通過10K上拉電阻接+3.3V。
3、 固件程序
USB固件程序用Keil C編寫，使用Keil uVision編譯器進行編譯調(diào)試。一個USB固件主要包括以下文件：
Fw.c：固件框架源文件，main()函數(shù)就位于該文件中；
Periph.c：用戶函數(shù)定義，用戶初始化函數(shù)TD_Init()和用戶函數(shù)TD_Poll()的定義就位于該文件中；
Dscr.a51：USB描述符表，對加載驅(qū)動程序有重要意義的VID和PID信息就位于該文件的設(shè)備描述符中；
Ezusb.lib：EZ-USB固件函數(shù)庫；
USBJmpTb.OBJ：中斷向量和跳轉(zhuǎn)表。
Ezusb.h、Ezregs.h：編寫程序時必須包括的頭文件，前者包含USB函數(shù)庫的常量定義、宏定義、全局變量聲明和函數(shù)原型等，后者包含位標志定義和寄存器變量聲明。
固件程序的運行流程如圖3所示，USB上電復(fù)位后進入main()函數(shù)先初始化內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init()。從該函數(shù)返回后使能中斷，然后每隔1s進行一次設(shè)備重枚舉直到端點0接受到主機的SETUP數(shù)據(jù)包。檢測到SETUP包后開始任務(wù)調(diào)度，任務(wù)調(diào)度的步驟如下：
（1）調(diào)用用戶函數(shù)SetupCommand()，判斷是否受到SETUP包；
（2）分析判斷SETUP包，如果是標準設(shè)備請求命令則執(zhí)行標準請求，如果是用戶請求命令則調(diào)用TD_Poll()進行數(shù)據(jù)處理并反饋給主機結(jié)果；
（3）判斷是否收到USB掛起信號，收到則調(diào)用TD_Suspend()。從該函數(shù)返回后再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件，未檢測到則處理器進入掛起狀態(tài)，否則調(diào)用TD_Resume()，程序繼續(xù)運行。
需要用戶自己編寫的代碼主要包括TD_Init()、TD_Poll()。在本系統(tǒng)中，TD_Init()主要完成端點的選擇和配置，以及外圍器件的初始化。TD_Poll()將根據(jù)接收的主機命令對數(shù)據(jù)進行處理，之后將處理結(jié)果或狀態(tài)信息反饋給主機。
4、 主機程序
主機程序主要用于發(fā)送用戶命令和參數(shù)，接收USB設(shè)備的運行狀態(tài)和處理結(jié)果。本系統(tǒng)的主機程序用VC++6.0編寫實現(xiàn)，因為采用的是控制傳輸，用到的主要函數(shù)是CreateFile()和DeviceIoControl()。前者用于獲得設(shè)備句柄，其本質(zhì)是先由設(shè)備驅(qū)動器生成一個句柄，然后將這個句柄分配給外設(shè)。獲得設(shè)備句柄后，用DeviceIoControl()對設(shè)備進行讀寫。主要程序代碼如下：
DeviceHANDLE=CreateFile(".ezusb-0",
GENERIC_WRITE,
FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
0,
NULL);
If (DeviceHANDLE==INVALID_HANDLE_VALUE)
MessageBox("無法創(chuàng)建設(shè)備","Information Box",MB_OK|MB_ICONINFORMATION);
else
bResult=DeviceIoControl(DeviceHANDLE,
IOCTL_EZUSB_VENDOR_OR_CLASS_REQUEST,
&myrequest,
sizeof(VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL),
returndata,
n,
&nBytes,
NULL);
在本系統(tǒng)中，主機發(fā)送給外設(shè)最多的是VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL類型的請求，其結(jié)構(gòu)定義如下：
typedef struct _VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL
{
UCHAR direction; //傳輸方向，0為主機到設(shè)備，1為設(shè)備到主機
UCHAR requestType; //請求類型，0為用戶，1為類
UCHAR recepient; //接收者類型，0為設(shè)備，1為接口，2為端點，3為其他
UCHAR requestTypeReservedBits;
UCHAR request;
USHORT value;
USHORT index;
};
其中后四個參數(shù)分別對應(yīng)于設(shè)備請求命令的bRequestType、bRequest、wValue和wIndex（具體定義參考文獻[1]），因為發(fā)送的是用戶自己的設(shè)備請求命令而非標準設(shè)備請求命令，所以bRequestType的值可設(shè)為0；且bRequest的值不能與標準設(shè)備請求命令的bRequest值相沖突；雙字節(jié)的value和index可用來傳遞主機給USB設(shè)備的參數(shù)。
5、 驅(qū)動程序
要實現(xiàn)USB設(shè)備的固件下載和重枚舉需要編寫兩個驅(qū)動程序，通用驅(qū)動（GPD）和固件裝載驅(qū)動。前者完成主機與外設(shè)的通信和控制，一般不用重新編寫，可直接采用Cypress公司提供的ezusb.sys。后者負責在外設(shè)連到主機時將正確的驅(qū)動程序裝載到AN2131QC的RAM中，完成對外設(shè)的重新設(shè)置。主機根據(jù)新的設(shè)置安裝通用驅(qū)動，重新枚舉外設(shè)為一個新的USB設(shè)備。固件裝載驅(qū)動的開發(fā)過程如下：
（1）新建一個目錄dev_io，將Cypressusbdriversezloader目錄下的文件復(fù)制到該目錄下。
（2）打開該目錄下的sources文件，將TARGETNAME=ezloader改為TARGETNAME=dev_io。
（3）利用hex2c將dev_io.hex轉(zhuǎn)換為dev_io.c： hex2c dev_io.hex dev_io.c
（4）將fireware.c中的fireware[]數(shù)組用dev_io.c中的fireware[]數(shù)組替換。
（5）進入C:NTDDKBIN目錄，在命令行方式下鍵入SETENV C:NTDDK回車，此時顯示設(shè)置環(huán)境完成，然后返回dev_io運行BUILD –c，這時會在dev_iolibi386free或checked目錄下生成我們需要的固件裝載設(shè)備驅(qū)動程序，將該驅(qū)動程序復(fù)制到c:windowssystem32drivers目錄下。
（6）為了使該驅(qū)動程序正確工作，必須為它寫一個安裝信息文件，即.inf文件。它將設(shè)備的VID和PID綁定到特定的設(shè)備驅(qū)動程序上?？煞抡臻_發(fā)包提供的inf文件編寫，具體步驟參見文獻[5]。
6、結(jié)束語
本文從工作原理、硬件設(shè)計、固件程序、主機程序和驅(qū)動程序五個方面系統(tǒng)論述了情報指揮系統(tǒng)維修模擬訓練器中USB接口開發(fā)的全過程，并給出了基于控制傳輸?shù)腢SB系統(tǒng)設(shè)計方法，為今后的維修模擬訓練系統(tǒng)開發(fā)提供了一種規(guī)范、快捷的接口設(shè)計方法。
本文的創(chuàng)新觀點主要有兩點：1、與傳統(tǒng)的VXI、PXI等總線相比，在情報指揮系統(tǒng)維修模擬訓練器中采用USB總線作為仿真單體和單體計算機之間的接口能簡化硬件，即插即用，使仿真單體具有便攜能力。2、USB接口支持多達127個外設(shè)的能力使系統(tǒng)具有很強的單體擴展能力，而且支持多個單體同時工作。
參考文獻
[1] 馬偉.計算機USB系統(tǒng)原理及其主/從機設(shè)計.北京:北京航空航天出版社.2002
[2] 顏榮江，俞志強，張進，陰大興.EZ-USB2100系列單片機原理、編程及應(yīng)用.北京:北京航空航天出版社.2002
[3] 王宏，王鑫，李輝，周云峰，孫書鷹. usb技術(shù)在虛擬維修訓練系統(tǒng)中的應(yīng)用.電腦開發(fā)與應(yīng)用.2004年第17卷第3期.26-29
[4] 邵高平. 通用串行總線(usb)及其開發(fā)方法.微計算機信息. 1995年第15卷第3期.10-12
[5] Cypress Semiconductor Corporation, EZLOADER Design Notes, 98.5；
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