USB技術在情報指揮系統維修模擬器中的應用

1、工作原理

情報指揮系統維修模擬訓練器屬于分布式仿真系統，系統結構如圖1所示。其中，各仿真節點由單體計算機和仿真單體組成，仿真網絡采用局域網，主控機用于集中配置各單體參數，觸摸屏用于模擬操作界面。因為USB總線具有結構簡單、即插即用、低功耗、廣泛的軟硬件支持等優點，傳輸速度也從USB1.1協議支持的12Mbps 發展到了USB2.0協議支持的480Mbps，另外其星型拓撲結構能支持多達127個外設同時工作，所以本系統采用USB總線來實現單體計算機和仿真單體之間的控制和通信。

圖1系統框圖

1．1 USB的枚舉與重枚舉

USB芯片具有軟特性，外設可以利用USB接口從主機下載8051程序代碼到內部RAM運行，而不需要外部程序存儲器，方便了固件調試和升級。為支持這種軟特性，USB將端點0作為默認地址，外設初次連接主機時作為默認設備使用端點0進行自動枚舉，當固件下載到內部RAM后，經過重枚舉使外設具有用戶在固件中設置的功能屬性。

外設和主機連接時會自動加載驅動程序，加載什么驅動程序由USB設備描述符中的VID（2個字節）和PID（2個字節）決定，默認設備的VID和PID是0547和2131。當有多個外設同時工作時，需要不同的VID和PID加以區分，可利用EEPROM來存儲外設的VID和PID信息，以便加載對應的驅動程序。

1．2 USB傳輸類型

USB定義了控制、中斷、批量和同步四種數據傳輸類型。控制傳輸是最復雜和重要的傳輸類型，也是USB枚舉階段最主要的數據交換方式。USB設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備描述符的，這樣主機才能識別設備并安裝相應的驅動程序，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的前提和基礎。

中斷傳輸主要用于數據量小、速度要求不高的數據傳輸，如鼠標、鍵盤等；批量傳輸主要用于大容量數據的傳輸，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據傳輸，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的主要是控制信息，數據量不大，因此主要采用控制傳輸。

2、 USB硬件電路設計

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。其結構框圖如圖2所示，USB收發器與USB總線的 D+和D-相連，串行接口引擎對串行數據進行編碼和譯碼，并執行錯誤更正、位填充等操作，最后發送數據字節到端口或從端口接收數據字節。內部微處理器是一個改進的8051內核，使用標準的8051指令系統，但執行速度更快，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）增加了第二個數據指針；

（3）增加了第二個UART；

（4）增加了第三個16位定時器；

（5）非多路復用的16位地址總線；

（6）增加了8個中斷。

設計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設備提供最大500mA的電流，當USB設備耗電小于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，可以用電壓轉換芯片MAX882或AMS1117進行電壓轉換。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()函數就位于該文件中；

Periph.c：用戶函數定義，用戶初始化函數TD_Init()和用戶函數TD_Poll()的定義就位于該文件中；

Dscr.a51：USB描述符表，對加載驅動程序有重要意義的VID和PID信息就位于該文件的設備描述符中；

Ezusb.lib：EZ-USB固件函數庫；

USBJmpTb.OBJ：中斷向量和跳轉表。

Ezusb.h、Ezregs.h：編寫程序時必須包括的頭文件，前者包含USB函數庫的常量定義、宏定義、全局變量聲明和函數原型等，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上電復位后進入main()函數先初始化內部狀態變量，然后調用用戶初始化函數TD_Init()。從該函數返回后使能中斷，然后每隔1s進行一次設備重枚舉直到端點0接受到主機的SETUP數據包。檢測到SETUP包后開始任務調度，任務調度的步驟如下：

（1）調用用戶函數SetupCommand()，判斷是否受到SETUP包；

（2）分析判斷SETUP包，如果是標準設備請求命令則執行標準請求，如果是用戶請求命令則調用TD_Poll()進行數據處理并反饋給主機結果；

（3）判斷是否收到USB掛起信號，收到則調用TD_Suspend()。從該函數返回后再檢測是否發生USB喚醒事件，未檢測到則處理器進入掛起狀態，否則調用TD_Resume()，程序繼續運行。

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()將根據接收的主機命令對數據進行處理，之后將處理結果或狀態信息反饋給主機。

4、 主機程序

主機程序主要用于發送用戶命令和參數，接收USB設備的運行狀態和處理結果。本系統的主機程序用VC++6.0編寫實現，因為采用的是控制傳輸，用到的主要函數是CreateFile()和DeviceIoControl()。前者用于獲得設備句柄，其本質是先由設備驅動器生成一個句柄，然后將這個句柄分配給外設。獲得設備句柄后，用DeviceIoControl()對設備進行讀寫。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("無法創建設備","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);

在本系統中，主機發送給外設最多的是VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL類型的請求，其結構定義如下：

typedef struct _VENDOR_OR_CLASS_REQUEST_CONTROL

{

UCHAR direction; //傳輸方向，0為主機到設備，1為設備到主機

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;

};

其中后四個參數分別對應于設備請求命令的bRequestType、bRequest、wValue和wIndex（具體定義參考文獻[1]），因為發送的是用戶自己的設備請求命令而非標準設備請求命令，所以bRequestType的值可設為0；且bRequest的值不能與標準設備請求命令的bRequest值相沖突；雙字節的value和index可用來傳遞主機給USB設備的參數。

5、 驅動程序

要實現USB設備的固件下載和重枚舉需要編寫兩個驅動程序，通用驅動（GPD）和固件裝載驅動。前者完成主機與外設的通信和控制，一般不用重新編寫，可直接采用Cypress公司提供的ezusb.sys。后者負責在外設連到主機時將正確的驅動程序裝載到AN2131QC的RAM中，完成對外設的重新設置。主機根據新的設置安裝通用驅動，重新枚舉外設為一個新的USB設備。固件裝載驅動的開發過程如下：

（1）新建一個目錄dev_io，將Cypressusbdriversezloader目錄下的文件復制到該目錄下。

（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轉換為dev_io.c： hex2c dev_io.hex dev_io.c

（4）將fireware.c中的fireware[]數組用dev_io.c中的fireware[]數組替換。

（5）進入C:NTDDKBIN目錄，在命令行方式下鍵入SETENV C:NTDDK回車，此時顯示設置環境完成，然后返回dev_io運行BUILD Cc，這時會在dev_iolibi386free或checked目錄下生成我們需要的固件裝載設備驅動程序，將該驅動程序復制到c:windowssystem32drivers目錄下。

（6）為了使該驅動程序正確工作，必須為它寫一個安裝信息文件，即.inf文件。它將設備的VID和PID綁定到特定的設備驅動程序上。可仿照開發包提供的inf文件編寫，具體步驟參見文獻[5]。

6、結束語

本文從工作原理、硬件設計、固件程序、主機程序和驅動程序五個方面系統論述了情報指揮系統維修模擬訓練器中USB接口開發的全過程，并給出了基于控制傳輸的USB系統設計方法，為今后的維修模擬訓練系統開發提供了一種規范、快捷的接口設計方法。

本文的創新觀點主要有兩點：1、與傳統的VXI、PXI等總線相比，在情報指揮系統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個外設的能力使系統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系統原理及其主/從機設計.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技術在虛擬維修訓練系統中的應用.電腦開發與應用.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；