基于Qt實(shí)現(xiàn)USB CDC便攜式設(shè)備串口通信客戶端設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)Linux系統(tǒng)的Qt應(yīng)用程序與下位機(jī)USB CDC便攜式設(shè)備之間的串口通信，本課題采用USB CDC類協(xié)議，并根據(jù)協(xié)議在Linux下編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)，搭建Linux-QT應(yīng)用平臺(tái)利用QT可視化的圖形界面及豐富的圖形庫(kù)，設(shè)計(jì)并制作上位機(jī)應(yīng)用程序圖形界面，并根據(jù)Linux下串口通信的應(yīng)用層協(xié)議，最終實(shí)現(xiàn)了在QT界面上實(shí)時(shí)顯示便攜式設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制便攜式設(shè)備。該方法簡(jiǎn)單、可靠、便于實(shí)際工程應(yīng)用，解決了安裝有Linux操作系統(tǒng)的上位機(jī)用戶與便攜式設(shè)備通信不方便的問(wèn)題。因此，本課題對(duì)USB CDC便攜式設(shè)備用戶來(lái)說(shuō)將有廣闊的應(yīng)用前景。

引言

　　近年來(lái)，隨著電子科技的進(jìn)步和高新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，不少設(shè)備的技術(shù)性能越來(lái)越好，體積也越來(lái)越小，易于搬運(yùn)和攜帶。具有USB接口的便攜式設(shè)備已經(jīng)走進(jìn)了人們的生活。在眾多USB產(chǎn)品中，有這樣一類USB設(shè)備廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)和生活中——使用USB CDC類協(xié)議的設(shè)備，然而對(duì)于Linux下使用此類設(shè)備的用戶來(lái)講，幾乎不可用的。因此，需要根據(jù)CDC類通信協(xié)議編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以使用戶實(shí)現(xiàn)與USB CDC類設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，在上位機(jī)環(huán)境下，利用QT軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)CDC類設(shè)備串口通信應(yīng)用程序，這樣用戶就可以輕松、方便地監(jiān)視設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)和控制設(shè)備行為。

　　另外，Linux是一個(gè)完全免費(fèi)和基于UNIX和POSIX的用戶、多任務(wù)、支持多進(jìn)程線程和多核的操作系統(tǒng)，它具有完全兼容POSIX1.0標(biāo)準(zhǔn)、良好的界面、獨(dú)特的組織架構(gòu)等特點(diǎn)。尤其是它配以擁有多種應(yīng)用庫(kù)的QT軟件，使得本CDC類設(shè)備串口通信應(yīng)用程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，非常適合于推廣和應(yīng)用。

1 USB和USB CDC協(xié)議

1.1 USB接口簡(jiǎn)介

　　通用串行總線(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱USB)是計(jì)算機(jī)連接外部設(shè)備裝置的一個(gè)高速串行通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如今USB2.0已廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)上，同時(shí)也擴(kuò)展到了家用機(jī)頂盒和游戲機(jī)上。另外，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)On-The-Go(OTG)使USB設(shè)備間能夠獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。USB的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)和其它設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展性，因而得到大范圍推廣[^1-2] 。

　　通信接口是便攜式設(shè)備必備的對(duì)外功能模塊之一。由于現(xiàn)今設(shè)備的多功能特點(diǎn)，造成數(shù)據(jù)傳送量呈幾何級(jí)數(shù)地增加，過(guò)去的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如串口通信協(xié)議RS-232、并行通信接口協(xié)議LPT等存在傳輸速度低、誤碼率高、數(shù)據(jù)常常丟失等問(wèn)題[3]，已不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求?？梢钥闯觯琔SB接口在便攜式設(shè)備上出現(xiàn)是一種必然趨勢(shì)。

1.2 CDC 類簡(jiǎn)介

　　USB通訊協(xié)議組織制定了三個(gè)類：通信設(shè)備類、通信接口類和數(shù)據(jù)接口類。通訊設(shè)備類是一種設(shè)備級(jí)別的定義，主機(jī)用該協(xié)議識(shí)別外部設(shè)備可以表現(xiàn)出的不同接口類型。通信接口類定義了一種可以使能USB上的所有類型的通信服務(wù)的通用機(jī)制。數(shù)據(jù)接口類定義了一種通用機(jī)制，當(dāng)數(shù)據(jù)不能滿足其它通信類的要求時(shí)，能使USB完成塊數(shù)據(jù)或者同步傳輸功能。其中，USB CDC類是由通信接口類和數(shù)據(jù)接口類組合而成。針對(duì)不同的USB通信設(shè)備，CDC類又被分成以下三個(gè)模式：傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模式、 ISDN模式和網(wǎng)絡(luò)模式。而傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)模式可分為Direct Line Control Model、ACM(Abstract Control Model)和USB Telephone Model。本文所討論的便攜式設(shè)備串口通信就屬于USB 傳統(tǒng)純電話業(yè)務(wù)下的ACM模式^[4-5] 。

1.3 CDC 類協(xié)議通信原理和接口函數(shù)

　　USB CDC類協(xié)議所描述的USB CDC類設(shè)備首先像一般的USB設(shè)備被USB Core所識(shí)別和描述，其次將信息上傳至更高層協(xié)議，也就是tty協(xié)議層，最后通過(guò)線路規(guī)程的方式，將tty協(xié)議層和usb協(xié)議層結(jié)合使用，完成CDC類設(shè)備通信，即tty協(xié)議層負(fù)責(zé)應(yīng)用程序串口通信，usb協(xié)議層負(fù)責(zé)CDC類設(shè)備的識(shí)別、描述和通信^[9-10] ，如圖1所示。

　　本文中開(kāi)發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)涉及的主要接口函數(shù)和過(guò)程如下：首先，當(dāng)CDC類設(shè)備接入U(xiǎn)SB接口時(shí)，利用初始化函數(shù)acm_init(void)初始化設(shè)備，再由探針函數(shù)acm_probe()對(duì)接入的設(shè)備識(shí)別檢測(cè);其次，設(shè)備控制中斷函數(shù)acm_ctrl_irq()發(fā)出中斷，請(qǐng)求數(shù)據(jù)讀寫，其中數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)為：批量塊傳輸讀函數(shù)acm_read_bulk()、批量塊傳輸寫函數(shù)acm_write_bulk();再次，打開(kāi)tty協(xié)議層設(shè)備，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主要是以下五個(gè)函數(shù)：打開(kāi)tty設(shè)備函數(shù)acm_tty_open()、關(guān)閉函數(shù)acm_tty_close()、寫函數(shù)acm_tty_write()、中斷控制函數(shù)acm_tty_break_ctl()和IO控制函數(shù)acm_tty_ioctl();最后，需要有設(shè)備驅(qū)動(dòng)的銷毀和退出函數(shù)：acm_disconnect()、acm_exit(void)。

2 QT軟件介紹及其界面設(shè)計(jì)

2.1 QT軟件簡(jiǎn)介

　　Qt是1991年由奇趣科技開(kāi)發(fā)的一個(gè)跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，它提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所有功能。因此，Qt的擴(kuò)展性極強(qiáng)，允許多組件或模塊化編程。同時(shí)，Qt的跨平臺(tái)特性好，支持任何平臺(tái)的編譯與運(yùn)行。另外，其獨(dú)有的信號(hào)和槽機(jī)制，使得觸發(fā)信號(hào)和數(shù)據(jù)在不同模塊間通信?？梢钥闯?，QT是專門面向用戶對(duì)象的，提供了圖形用戶界面的應(yīng)用框架和窗口系統(tǒng)，具有極易的開(kāi)發(fā)特性，非常適合于linux下應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。QT Designer實(shí)現(xiàn)界面設(shè)計(jì)如下^[8] 。