基于GD32F305的多串口擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)

船用很多電子設(shè)備是通過RS-422 串口傳輸數(shù)據(jù)，比如導(dǎo)航儀通過RS-422 串口傳輸NMEA － 0183數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括定位信息，導(dǎo)航信息，船艏信息，雷達(dá)信息等。這就要求船上的顯示終端需要有很多的串口來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。導(dǎo)航儀主板上的SoC 芯片原生串口數(shù)量有限，有時(shí)不能滿足用戶需要，這就需要外接模塊來擴(kuò)展串口。USB 總線連接簡(jiǎn)單，信號(hào)只需要一對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線傳輸，全速傳輸模式下帶寬可達(dá)12 Mbps；常見的船舶電子設(shè)備，其中RS-422最高傳輸需求波特率為115 200 bps，USB全速模式下傳輸率超過其100倍。USB總線擴(kuò)展多個(gè)串口具有連線簡(jiǎn)單，傳輸率高的優(yōu)勢(shì)，適合做多串口擴(kuò)展。

本文探討的擴(kuò)展模塊基于單片機(jī)GD32F305設(shè)計(jì)，采用USB 總線擴(kuò)展最多5 路串口。GD32F305是兆易創(chuàng)新公司出品的一個(gè)單片機(jī)系列，該系列單片機(jī)有一路USB總線，5 路串口，CPU 核心采用Cortex-M4，可以運(yùn)行在120 MHz，功能和性能均可滿足設(shè)計(jì)要求。

1   信號(hào)連接框圖

本文以一款RK3128 導(dǎo)航儀主板為例，探討串口擴(kuò)展方案。圖1 是主板信號(hào)連接圖，為重點(diǎn)說明擴(kuò)展方案，信號(hào)只保留USB 和串口部分。

圖1 主板信號(hào)連接

RK3128 是瑞芯微出品的ARM Cortex-A7 4 核處理器，RK3128有3 個(gè)原生串口，其中串口2 和SD接口復(fù)用，實(shí)際可用的原生串口只有2 個(gè), 不夠連接外部設(shè)備，因此采用本文所述方案擴(kuò)展串口。如上圖RK3128 有1 個(gè)USB OTG， 和1 個(gè)USB HOST 接口， 其中USB OTG用于其它通用外設(shè)( 如U 盤，鼠標(biāo)) 和引導(dǎo)鏡像燒寫，USB HOST 接口連接GD32F305RB 擴(kuò)展串口；GD32 的5 個(gè)串口全部引出用于連接其它船用電子設(shè)備。

GD32F305 系列單片機(jī)，CPU 核心采用Cortex-M4，最大運(yùn)行頻率為120 MHz，內(nèi)置最少64 KB SRAM，最少128 KB FLASH，包含1 個(gè)USB OTG端口，5 個(gè)串口(3個(gè)USART 和2 個(gè)UART，5 個(gè)串口支持最高9 Mbit/s波特率) 及其他豐富的外設(shè)資源。

2   單片機(jī)程序

兆易創(chuàng)新提供了GD32F305 的固件庫(kù)，其中包含工程模板，啟動(dòng)程序，豐富的外設(shè)調(diào)用程序及范例程序，并且還有用于簡(jiǎn)化USB 固件程序設(shè)計(jì)的USB 程序框架。為加速開發(fā)過程，本方案充分利用了固件庫(kù)，并參照其中的USB CDC 范例代碼, 以USB 程序框架為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了USB 通信程序。單片機(jī)程序包括串口收發(fā)程序，USB 收發(fā)程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及命令處理程序，圖2 是整個(gè)單片機(jī)程序的概要圖。

圖2 單片機(jī)程序概要

3   串口收發(fā)程序

串口收發(fā)封裝為以下函數(shù):

void uart_init();

int uart_read(int chn, void*dat, int size);

int uart_write(int chn, constvoid* dat, int size);

int uart_ioctl(int chn, intcmd, void * args);

uart_init() 為串口初始化函數(shù)，用于初始化所有用到的串口，主要包括收發(fā)緩沖初始化，串口引腳功能初始化，功能寄存器初始化，中斷初始化。

uart_read() 為串口接收函數(shù)，chn 為串口編號(hào), dat 為接收數(shù)據(jù)緩沖指針，size 為數(shù)據(jù)緩沖的字節(jié)數(shù)，返回值為實(shí)際讀取到的字節(jié)數(shù)。

uart_write() 為串口發(fā)送函數(shù)，chn 為串口編號(hào)，dat為要發(fā)送的數(shù)據(jù)指針，size 為要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，返回實(shí)際寫入串口發(fā)送緩沖的字節(jié)數(shù)。

uart_ioctl() 用于響應(yīng)控制命令，chn 為串口編號(hào)，cmd 為命令編號(hào)，args 為命令參數(shù)，返回值根據(jù)不同命令定義。uart_ioctl() 主要處理串口波特率設(shè)置，回應(yīng)當(dāng)前對(duì)應(yīng)串口發(fā)送緩沖字節(jié)數(shù)這兩個(gè)功能。

uart_read() 和 uart_write() 都是非阻塞設(shè)計(jì)，都是對(duì)相應(yīng)的串口收發(fā)緩沖操作，實(shí)際數(shù)據(jù)收發(fā)是在中斷函數(shù)中處理。串口的中斷處理函數(shù)uart_irq_handle() 定義如下：

如上代碼， 串口中斷處理函數(shù)uart_irq_handle()調(diào)用了固件庫(kù)串口函數(shù)usart_interrupt_flag_get() 來判斷當(dāng)前串口是否觸發(fā)了接收和發(fā)送中斷，usart_data_receive() 用于從當(dāng)前串口接收寄存器讀取接收到的數(shù)據(jù)，usart_data_transmit() 用于將1 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入當(dāng)前串口的發(fā)送寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)。bfifo_in_byte() 和bfifo_out_byte() 是一種環(huán)形緩沖bfifo 的操作函數(shù)，bfifo_in_byte() 用于將1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫入緩沖，bfifo_out_byte() 用于從緩沖讀取1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，成功讀取返回true，如果緩沖無數(shù)據(jù)則返回false。

串口一次收發(fā)字節(jié)數(shù)不固定，環(huán)形緩沖很適合這種中斷處理隨機(jī)字節(jié)數(shù)據(jù)流的收發(fā)。環(huán)形緩沖是一種有固定存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有讀、寫兩個(gè)指針，讀取緩沖時(shí)只操作讀指針，不會(huì)修改寫指針；往緩沖寫入數(shù)據(jù)時(shí)只操作寫指針而不會(huì)修改讀指針，環(huán)形緩沖的這種指針操作機(jī)制使得操作指針時(shí)不需要對(duì)指針做中斷互斥保護(hù)，因此不需要在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉開啟中斷。

環(huán)形緩沖的操作，要將指針的操作限定在環(huán)形緩沖大小之內(nèi)，一般可以采用取模運(yùn)算，比如以f->ptr_out為環(huán)形緩沖的讀指針，f->size 為環(huán)形緩沖的字節(jié)大小，當(dāng)讀取完一個(gè)字節(jié)，讀指針前進(jìn)為例，代碼如下：

本方案采用的bfifo 參照linux kernel 的kfifo, 在上述基礎(chǔ)上優(yōu)化了指針的操作，將環(huán)形緩沖的大小限定為2 的n 次方，n 為整數(shù)，將取模操作用與運(yùn)算替代以加速計(jì)算過程。同上述例子一樣的操作，設(shè)f->mask=f->size-1，代碼如下：

由于串口接收到數(shù)據(jù)后，中斷處理函數(shù)將數(shù)據(jù)保存到了環(huán)形接收緩沖中，uart_read() 函數(shù)只需要從環(huán)形接收緩沖將數(shù)據(jù)讀出保存到形參；uart_write() 則將形參指向的數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的環(huán)形發(fā)送緩沖中，并判斷當(dāng)前串口發(fā)送中斷是否關(guān)閉，如果發(fā)送中斷關(guān)閉則重新打開，單片機(jī)將觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)送環(huán)形發(fā)送緩沖的數(shù)據(jù)。

4   USB 數(shù)據(jù)收發(fā)程序

USB 數(shù)據(jù)收發(fā)程序封裝為以下函數(shù):

usb_init() 為初始化函數(shù)，主要初始化USB 端口，USB 程序框架用到的定時(shí)器，USB 中斷，各種USB 描述符等。

usb_write() 為USB 數(shù)據(jù)送函數(shù)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過bulk 端點(diǎn)發(fā)往主機(jī)，dat 為要發(fā)送的數(shù)據(jù)指針，size 為要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，返回實(shí)際發(fā)送的字節(jié)數(shù)。

usb_read() 是USB 數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，負(fù)責(zé)讀取從主機(jī)發(fā)送往bulk 端點(diǎn)的數(shù)據(jù)，dat 為數(shù)據(jù)接收緩沖指針，size 為緩沖字節(jié)數(shù)，返回值為實(shí)際讀取到的字節(jié)數(shù)。

usb_set_class_callback() 用于設(shè)置USB Class 請(qǐng)求回調(diào)，callback 為回調(diào)函數(shù)，callback 的參數(shù)wIndex，bRequest，wValue，wLength 對(duì)應(yīng)USB 標(biāo)準(zhǔn)控制傳輸?shù)南鄳?yīng)參數(shù)，dat 為數(shù)據(jù)緩沖指針，程序?qū)Request 作為請(qǐng)求命令，當(dāng)wLength > 0 時(shí)，程序根據(jù)bRequest 內(nèi)容讀取dat 或往dat 寫數(shù)據(jù)。

USB 數(shù)據(jù)收發(fā)程序相比串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序復(fù)雜很多，因此本方案借助兆易創(chuàng)新的USB 程序框架來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。USB 程序框架實(shí)現(xiàn)了基本的USB 傳輸，調(diào)用固件庫(kù)提供的USB 設(shè)備初始化函數(shù)，設(shè)置好相應(yīng)的回調(diào)程序指針和USB 描述符，可快速實(shí)現(xiàn)基本的USB 數(shù)據(jù)傳輸。

固件庫(kù)USB 設(shè)備初始化函數(shù)為 usbd_init()，其定義如下：

其中參數(shù) udev 為 USB 驅(qū)動(dòng)句柄指針，usbd_init 將初始化其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后程序操作 USB 設(shè)備將用到該句柄。

參數(shù) core 為 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)核心枚舉。USB 固件庫(kù)支持 USB 全速和 USB 高速設(shè)備，core 用來指示這兩種類型設(shè)備的其中 1 種。（全速設(shè)備帶寬為 12 Mbps，可滿足設(shè)計(jì)，本方案實(shí)現(xiàn)的是全速設(shè)備；高速設(shè)備的帶寬為480 Mbps，實(shí)現(xiàn)高速USB設(shè)備，需要外加ULPI芯片。）

參數(shù)desc 為USB 描述符指針，desc 定義了設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符等。這些描述符用來描述USB 設(shè)備的屬性和用途。主機(jī)會(huì)在枚舉設(shè)備時(shí)獲取以確定設(shè)備是什么樣的設(shè)備，需要的總線資源，通訊方式等。

參數(shù)class_core 為USB 類結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體定義了USB 類的初始化、反初始化、類請(qǐng)求、數(shù)據(jù)收發(fā)等函數(shù)指針，程序在初始化時(shí)設(shè)置好這些指針，這些指針將在USB 程序框架中被調(diào)用。其定義如下:

其中參數(shù)udev 為USB 驅(qū)動(dòng)句柄指針，usbd_init 將初始化其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后程序操作USB 設(shè)備將用到該句柄。參數(shù)core 為USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)核心枚舉。USB 固件庫(kù)支持USB 全速和USB 高速設(shè)備，core 用來指示這兩種類型設(shè)備的其中1 種。（ 全速設(shè)備帶寬為12 Mbps，可滿足設(shè)計(jì)，本方案實(shí)現(xiàn)的是全速設(shè)備；高速設(shè)備的帶寬為480 Mbps，實(shí)現(xiàn)高速USB設(shè)備，需要外加ULPI 芯片。）

其中init 為初始化函數(shù)指針，當(dāng)USB 連接時(shí)該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，程序可在初始化函數(shù)中分配端點(diǎn)，初始化收發(fā)緩沖等；deinit 為反初始化函數(shù)指針，USB 連接斷開時(shí)被調(diào)用，程序要在這里釋放資源；req_proc 為設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)指針，用于處理端點(diǎn)0 控制傳輸，當(dāng)主機(jī)通過端點(diǎn)0 請(qǐng)求傳輸時(shí)，該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，本方案在這里響應(yīng)類請(qǐng)求，處理串口波特率設(shè)置和串口緩沖大小獲取；data_in 是處理data in 傳輸?shù)暮瘮?shù)指針，當(dāng)主機(jī)向USB 設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，程序在這里準(zhǔn)備好要發(fā)往主機(jī)的數(shù)據(jù)；data_out是處理data out 傳輸?shù)暮瘮?shù)指針，當(dāng)主機(jī)往USB 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，程序在這里接收主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)。

分析USB 程序框架，USB 數(shù)據(jù)傳輸采用DMA，1次可能傳輸多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；data_in 和data_out 都是在中斷處理程序中被調(diào)用，因此本文案設(shè)計(jì)一種環(huán)形緩沖加雙緩沖的方案來提高數(shù)據(jù)傳輸效率。環(huán)形緩沖用于避免變量互斥沖突，而雙緩沖用于提高DMA 傳輸效率。

上述雙緩沖，由1 個(gè)寫緩沖和1 個(gè)讀緩沖構(gòu)成，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

結(jié)構(gòu)體成員buffer 為內(nèi)存緩沖，buf_len 為雙緩沖的字節(jié)數(shù)，程序分配雙緩沖時(shí)，分配buffer 空間為雙倍buf_len 字節(jié)數(shù)；index 為數(shù)據(jù)索引，用于指示當(dāng)前讀寫緩沖的地址；len 為當(dāng)前寫緩沖的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

當(dāng)程序往雙緩沖寫數(shù)據(jù)時(shí)，先獲取寫緩沖的地址，寫緩沖的地址為buffer+index*buf_len，再將數(shù)據(jù)寫入寫緩沖的末尾，地址為buffer+index*buf_len+len，之后再根據(jù)數(shù)據(jù)大小累加len。

當(dāng)程序要讀取雙緩沖數(shù)據(jù)時(shí)，程序先讀取當(dāng)前寫緩沖的字節(jié)數(shù)，獲取當(dāng)前寫緩沖的內(nèi)存地址，再對(duì)雙緩沖做一次數(shù)據(jù)緩沖翻轉(zhuǎn)，將原來的讀寫緩沖互換。雙緩沖的翻轉(zhuǎn)，重點(diǎn)是對(duì)index 進(jìn)行反運(yùn)算，index = !index。當(dāng)DMA 完成一次傳輸時(shí)，程序可以快速翻轉(zhuǎn)雙緩沖，將讀寫緩沖地址交給DMA控制器進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)傳輸。如此可達(dá)到減少DMA 控制器等待時(shí)間的目的，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

關(guān)于往bulk 端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，本方案定義了一個(gè)前文所述的環(huán)形緩沖fifo_bulk_in 和雙緩沖dbuf_bulk_in 來緩存數(shù)據(jù)，程序通過調(diào)用usb_write() 函數(shù)完成。usb_write() 主要負(fù)責(zé)將形參數(shù)據(jù)寫入fifo_bulk_in，并檢測(cè)當(dāng)前USB 框架是否正在傳輸數(shù)據(jù)，這個(gè)狀態(tài)由變量is_bulk_in_busy 表示， 如果還未啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，則取出環(huán)形緩沖fifo_bulk_in 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至dbuf_bulk_in，翻轉(zhuǎn)dbuf_bulk_in，并調(diào)用固件庫(kù)函數(shù)usbd_ep_send() 啟動(dòng)一次DMA 傳輸。當(dāng)單片機(jī)完成一次傳輸，USB 框架會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)data_in()，此時(shí)根據(jù)data_in() 傳入的端點(diǎn)號(hào)，判斷端點(diǎn)號(hào)為bulk 端點(diǎn)準(zhǔn)備bulk 數(shù)據(jù)發(fā)送。檢測(cè)fifo_bulk_in 是否有數(shù)據(jù)和上次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是否為空，函數(shù)根據(jù)以下幾種情況處理：

如果fifo_bulk_in 有數(shù)據(jù)，則和上述usb_write() 檢測(cè)到未啟動(dòng)傳輸時(shí)一樣，取fifo_bulk_in 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至dbuf_bulk_in，翻轉(zhuǎn)dbuf_bulk_in，再次發(fā)起一次DMA傳輸。

如果fifo_bulk_in 無數(shù)據(jù)，則發(fā)起一次0 數(shù)據(jù)傳輸以表示當(dāng)前傳輸完成當(dāng)fifo_bulk_in 無數(shù)據(jù)，且上次是0 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，則將is_bulk_in_busy 變量設(shè)置為false，表示USB 程序框架已停止bulk 數(shù)據(jù)發(fā)送bulk 端點(diǎn)數(shù)據(jù)接收也采用了一個(gè)環(huán)形緩沖和一個(gè)雙緩沖來緩存數(shù)據(jù)，分別用變量fifo_bulk_out 和dbuf_bulk_out 表示。

當(dāng)程序調(diào)用usb_read() 時(shí)，先從fifo_bulk_out 中取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到形參接收緩沖，接著檢查當(dāng)前bulk 端點(diǎn)是否正在接收數(shù)據(jù)，該狀態(tài)用is_bulk_out_busy 表示，當(dāng)is_bulk_out_busy 值為false 時(shí)調(diào)用固件庫(kù)函數(shù)usb_ep_recv()，發(fā)起DMA 傳輸將數(shù)據(jù)存至dbuf_bulk_out，并將is_bulk_out_busy 值設(shè)置為true。

當(dāng)bulk 端點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，USB 程序框架調(diào)用data_out()，此時(shí)取出dbuf_bulk_out 的接收緩沖指針和接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。先判斷fifo_bulk_out 剩余空間是否大于bulk 端點(diǎn)最大傳輸量，如果空間足夠則翻轉(zhuǎn)dbuf_bulk_out 并調(diào)用usb_ep_recv() 發(fā)起下一次DMA 傳輸；否則設(shè)置is_bulk_out_busy 值為false，表示bulk 端點(diǎn)接收空閑。最后通過之前暫存的dbuf_bulk_out 接收緩沖指針和接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)將本次傳輸接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到fifo_bulk_out 完成本次bulk 端點(diǎn)數(shù)據(jù)接收處理。

當(dāng)主機(jī)向單片機(jī)請(qǐng)求類的控制傳輸時(shí)，USB 程序框架將調(diào)用回調(diào)函數(shù)req_proc，請(qǐng)求的內(nèi)容從req_proc 的參數(shù)req 獲得，req 的類型usb_req 定義如下:

程序接收到類控制傳輸請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)req->bmRequestType 判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸方向s，如果是IN 類型的傳輸，則調(diào)用前文所述usb_set_class_callback() 設(shè)置的回調(diào)函數(shù)，傳遞req 的其它參數(shù)，如果req->wLength不為0，從回調(diào)函數(shù)讀取數(shù)據(jù)到全局變量ctlbuf 準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)回傳給主機(jī)。將ctlbuf 和req->wLength 傳遞給USB程序框架，USB程序框架將發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài)給主機(jī)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，USB 程序框架調(diào)用前文所述data_in 通知程序，程序設(shè)置調(diào)用API 通知USB 程序框架無剩余數(shù)據(jù)，完成本次控制傳輸請(qǐng)求。

如果當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸類型是OUT 傳輸時(shí)，則先判斷req->wLength 是否為0，如果req->wLength 為0 時(shí)，直接調(diào)用前文所述usb_set_class_callback() 設(shè)置的回調(diào)函數(shù)即可。當(dāng)req->wLength 不為0 時(shí)，表示此次控制傳輸附帶數(shù)據(jù)，此時(shí)程序先用全局變量last_req 暫存req 值，然后調(diào)用API 通知USB 程序框架將把此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存到ctlbuf。當(dāng)USB 程序框架接收完此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將調(diào)用前文所述的data_out 通知程序，這時(shí)程序?qū)鬟f上述last_req 變量及ctlbuf 通知前文所述usb_set_class_callback() 設(shè)置的回調(diào)函數(shù)。

5   數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序負(fù)責(zé)將所有串口的數(shù)據(jù)通過USB 端口轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)，同時(shí)通過USB 端口從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的串口。中間的數(shù)據(jù)傳輸采用特定的數(shù)據(jù)格式對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，標(biāo)記同步頭，串口編號(hào)，字節(jié)數(shù)。本方案采用的數(shù)據(jù)包格式如下:

其中sync 為同步頭，固定為兩個(gè)’$’字符，用于解析時(shí)找到數(shù)據(jù)包的起始位置；chn 為串口編號(hào)，對(duì)應(yīng)收發(fā)數(shù)據(jù)的串口；len 為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，用于表示后面dat 的實(shí)際大?。籨at 為實(shí)際收發(fā)的數(shù)據(jù)，此處定義的數(shù)組大小不作為實(shí)際數(shù)據(jù)大小。

本方案定義了函數(shù)mux_pack_data() 用于封裝串口數(shù)據(jù)，其聲明如下：

其中dst 為數(shù)據(jù)緩沖地址，用于存放封裝好的數(shù)據(jù)包；chn 為串口編號(hào)；dat 為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；len 為上述dat的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；返回封裝后的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序的串口接收部分主要操作為，逐一讀取各個(gè)串口的數(shù)據(jù)，調(diào)用mux_pack_data() 將數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)至臨時(shí)緩沖out_buf，最后調(diào)用前文所述USB 收發(fā)程序的發(fā)送函數(shù)usb_write() 將out_buf 的數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)。

串口發(fā)送部分操作為，調(diào)用usb_read() 函數(shù)從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)并解析，根據(jù)解析的數(shù)據(jù)包調(diào)用uart_write()往對(duì)應(yīng)的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。解析函數(shù)為mux_parse_data()，其聲明如下：

其中src 和len 為原始數(shù)據(jù)緩沖指針及數(shù)據(jù)大?。籧allback為回調(diào)函數(shù)；回調(diào)函數(shù)的參數(shù)chn 表示串口編號(hào)，dat為數(shù)據(jù)緩沖指針，len 為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。這里將從usb_read() 讀取到的數(shù)據(jù)傳入?yún)?shù)src 和len，當(dāng)mux_parse_data() 解析到數(shù)據(jù)包，將通過callback 通知，此時(shí)程序?qū)⒄{(diào)用uart_write() 將數(shù)據(jù)發(fā)往指定串口。

6   命令處理程序

命令處理程序主要負(fù)責(zé)響應(yīng)主機(jī)設(shè)置串口波特率，獲取串口寫緩沖的請(qǐng)求。這些請(qǐng)求通過USB 控制傳輸?shù)念愓?qǐng)求來處理，程序通過上文所述usb_set_class_callback() 設(shè)置類請(qǐng)求回調(diào)函數(shù)。類請(qǐng)求回調(diào)函數(shù)聲明如下:

bRequest 用于表示請(qǐng)求的命令，wIndex 表示串口編號(hào)，wValue 根據(jù)bRequest 不同用于表示設(shè)置的值，dat和wLength 用于當(dāng)前請(qǐng)求需要補(bǔ)充的數(shù)據(jù)。

用宏定義表示請(qǐng)求的命令，REQ_SET_BAUD，REQ_ALL_UART_WRITE_ROOM 分別表示設(shè)置串口波特率，請(qǐng)求所有串口的剩余寫緩沖空間。

當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求設(shè)置串口波特率，handle_class_request將被調(diào)用，bRequest 值為REQ_SET_BAUD，wValue為波特率除以100 的值（以9600 為例，wValue 值為96），wIndex 表示串口編號(hào)，此時(shí)程序調(diào)用前文所述串口函數(shù)uart_ioctl() 設(shè)置編號(hào)為wIndex 串口的波特率為wValue×100。

當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求所有串口寫緩沖時(shí)，bRequest 值為REQ_ALL_UART_WRITE_ROOM， 程序調(diào)用uart_ioctl() 逐一獲取每個(gè)串口的剩余寫緩沖空間，寫至dat參數(shù)。傳遞至dat 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中chn_num 為串口數(shù)量，room 為各個(gè)串口的剩余寫緩沖字節(jié)數(shù)，每個(gè)串口的剩余寫緩沖字節(jié)數(shù)用2 個(gè)字節(jié)的類型uint16_t 表示。

7   傳輸驗(yàn)證

本方案USB 數(shù)據(jù)傳輸采用libusb 編寫測(cè)試程序在LINUX 系統(tǒng)下驗(yàn)證。libusb 是一個(gè)在應(yīng)用層調(diào)用的跨平臺(tái)USB 庫(kù)，包含了USB 傳輸所需要的API。相比在編寫內(nèi)核驅(qū)動(dòng)來驗(yàn)證本方案的數(shù)據(jù)傳輸，采用libusb 更快捷，更方便調(diào)試。

本方案驗(yàn)證傳輸采用了libusb 中比較方便調(diào)試的同步I/O API，聲明如下:

其中l(wèi)ibusb_control_transfer() 用于發(fā)起控制傳輸，參數(shù)dev_handle 為USB 設(shè)備句柄，data 為補(bǔ)充數(shù)據(jù)的指針，timeout 為超時(shí)毫秒數(shù)，其它參數(shù)對(duì)應(yīng)控制傳輸U(kuò)SB 的標(biāo)準(zhǔn)定義。函數(shù)返回傳輸狀態(tài)，成功傳輸返回枚舉值LIBUSB_SUCCESS。

libusb_bulk_transfer() 用于發(fā)起bulk 傳輸，dev_handle 為USB 設(shè)備句柄，endpoint 為bulk 端點(diǎn)編號(hào)，data 為接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖指針，length 為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，actual_length 為實(shí)際傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，timeout 為超時(shí)毫秒數(shù)。

7.1 本方案主機(jī)接收據(jù)傳輸驗(yàn)證，主要流程如下：

1）調(diào)用libusb_open_device_with_vid_pid()，根據(jù)設(shè)備vid，pid 打開USB 設(shè)備s

2）通過 libusb_control_transfer() 設(shè)置各個(gè)串口的波特率

3）通過電腦串口上發(fā)送測(cè)試文件到單片機(jī)的串口

4）電腦測(cè)試程序通過libusb_bulk_transfer() 從單片機(jī)USB 口讀取數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)發(fā)程序定義的協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，根據(jù)串口號(hào)不同將數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到不同的文件

5）對(duì)比發(fā)送和接收到的文件

7.2 主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證，流程如下：

1）在電腦測(cè)試程序通過 libusb_control_transfer()設(shè)置各個(gè)串口的波特率

2）電腦測(cè)試程序加載測(cè)試文件，通過轉(zhuǎn)發(fā)程序定義的協(xié)議將文件數(shù)據(jù)按各個(gè)串口封裝數(shù)據(jù)包，通過libusb_bulk_transfer() 往單片機(jī)USB 口發(fā)送數(shù)據(jù)

3）通過電腦串口從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并根據(jù)不同串口保存到不同文件

4）對(duì)比發(fā)送和接收到的文件由于USB 傳輸速度遠(yuǎn)高于本方案串口，為避免緩沖溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要根據(jù)串口最大發(fā)送緩沖大小和設(shè)計(jì)的最高波特率定時(shí)通過libusb_control_transfer() 獲取各個(gè)串口的剩余發(fā)送緩沖空間，測(cè)試程序根據(jù)單片機(jī)串口剩余發(fā)送緩沖空間確定當(dāng)時(shí)能發(fā)送的字節(jié)數(shù)。本方案設(shè)計(jì)單片機(jī)串口最大發(fā)送緩沖大小為1 024 個(gè)字節(jié)，最高波特率為115 200，根據(jù)最高波特率串口最高發(fā)送速度為115 200/10等于11 520 字節(jié)/s，根據(jù)以上參數(shù)可知最大緩沖填滿時(shí)間為1 024/11 520 ≈ 88 ms，因此本方案輪詢單片機(jī)串口剩余發(fā)送緩沖時(shí)間間隔為80 ms 即可。

測(cè)試程序運(yùn)行命令如下:

mux-test 為測(cè)試程序，-b 選項(xiàng)為波特率，這里設(shè)置為 115200；-f 選項(xiàng)為測(cè)試數(shù)據(jù)文件名，這里為origin.txt，origin.txt 為64kB 的文本文件；-s 為電腦的串口 tty 設(shè)備名，這里/dev/ttyUSB0 － 4 表示加載 /dev/ttyUSB0、/dev/ttyUSB1、…… /dev/ttyUSB4。

程序運(yùn)行后，將從電腦串口讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到./tty 目錄下，文件根據(jù)串口編號(hào)命名，為0.txt、1.txt、……4.txt；從USB 讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到./usb 目錄下，文件根據(jù)單片機(jī)串口編號(hào)命名，為0.txt、1.txt、…… 4.txt。當(dāng)程序運(yùn)行完，運(yùn)行以下命令比較文件：

以下是運(yùn)行結(jié)果:

根據(jù)結(jié)果可以判斷出收發(fā)的數(shù)據(jù)完全一致。

8   結(jié)束語

本文首先分析了船舶導(dǎo)航儀對(duì)多串口的需求，并提出USB 擴(kuò)展多串口的方案，分析該方案的可行性及便利性，并提出兆易創(chuàng)新的GD32F305 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)這一方案。接著以RK3128 主板為例介紹該擴(kuò)展方案的硬件連接，然后探討了單片機(jī)程序的具體實(shí)現(xiàn)，最后介紹用libusb 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] GD32F305xx Datasheet Rev1.3[G].

[2] GD32F30x_User_Manual_Rev2.8.pdf[G].

[3] USBFS/HS Firmware Library User Guide Revision1.0[G].

[4] Firmware Library User Guide Revison 1.0[G].

[5] USB in a Nutshell[G].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）