USB技術(shù)在情報指揮系統(tǒng)維修模擬器中的應(yīng)用

1、工作原理

情報指揮系統(tǒng)維修模擬訓(xùn)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(diǎn)由單體計算機(jī)和仿真單體組成，仿真網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)，主控機(jī)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(diǎn)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)能支持多達(dá)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(jī)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(jī)下載8051程序代碼到內(nèi)部RAM運(yùn)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(diǎn)0作為默認(rèn)地址，外設(shè)初次連接主機(jī)時作為默認(rèn)設(shè)備使用端點(diǎn)0進(jìn)行自動枚舉，當(dāng)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(jī)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(rèn)設(shè)備的VID和PID是0547和2131。當(dāng)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(jī)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(jī)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(biāo)、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(jī)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(xùn)練器中，單體計算機(jī)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(jìn)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(jìn)的8051內(nèi)核，使用標(biāo)準(zhǔn)的8051指令系統(tǒng)，但執(zhí)行速度更快，功能更強(qiáng)，與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)可以向外圍USB設(shè)備提供最大500mA的電流，當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(biāo)志定義和寄存器變量聲明。

固件程序的運(yùn)行流程如圖3所示，USB上電復(fù)位后進(jìn)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(jìn)行一次設(shè)備重枚舉直到端點(diǎn)0接受到主機(jī)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求命令則執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)請求，如果是用戶請求命令則調(diào)用TD_Poll()進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并反饋給主機(jī)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(jìn)入掛起狀態(tài)，否則調(diào)用TD_Resume()，程序繼續(xù)運(yùn)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(diǎn)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(jī)命令對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后將處理結(jié)果或狀態(tài)信息反饋給主機(jī)。

4、 主機(jī)程序

主機(jī)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(yùn)行狀態(tài)和處理結(jié)果。本系統(tǒng)的主機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)到設(shè)備，1為設(shè)備到主機(jī)

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(diǎn)，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(xiàn)[1]），因為發(fā)送的是用戶自己的設(shè)備請求命令而非標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)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(fù)責(zé)在外設(shè)連到主機(jī)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(jī)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(jìn)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(yùn)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(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(xiàn)[5]。

6、結(jié)束語

本文從工作原理、硬件設(shè)計、固件程序、主機(jī)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(xùn)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(xùn)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(diǎn)主要有兩點(diǎn)：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(xùn)練器中采用USB總線作為仿真單體和單體計算機(jī)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(dá)127個外設(shè)的能力使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的單體擴(kuò)展能力，而且支持多個單體同時工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬偉.計算機(jī)USB系統(tǒng)原理及其主/從機(jī)設(shè)計.北京:北京航空航天出版社.2002
[2] 顏榮江，俞志強(qiáng)，張進(jìn)，陰大興.EZ-USB2100系列單片機(jī)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(xùn)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(jī)信息. 1995年第15卷第3期.10-12
[5] Cypress Semiconductor Corporation, EZLOADER Design Notes, 98.5；