指紋采集系統中USB接口的設計(四)

圖7  電壓調整電路

3.3.2  I2C總線的EEPROM電路

在前面電路設計中已經提到，當EZ-USB AN2131QC芯片上電時，EZ-USB的引導裝載器檢查I2C總線上是否存在EEPROM，如果檢測到EEPROM存在，裝載程序就會讀取EEPROM的第一個字節，以決定如何進行總線的枚舉。因此，整個硬件電路中EEPROM模塊電路是不可缺少的（當然對于調試可以沒有，但作為一個USB設備是不可缺少的）。

    選用具有I2C總線接口的EEPROM芯片24LC64。24LC64是8K字節的電可擦除的PROM，其工作電壓范圍為2.5V～5.5V。24LC64可以一次寫入32字節（一頁），可以任意的或連續讀出8K字節數據。其一種封裝類型管腳（SO1C）如圖8所示：

圖8  24LC64管腳

其中A2，A1，A0為用戶配置地址，在USB接口硬件系統中，此地址必須為0、0、1。WP為寫保護，SCL、SDA為I2C總線的時鐘和數據線。由于在AN2131QC中，I2C控制器是漏極開路的，因此使用中必須將SCL和SDA線經過電阻上拉。圖9為實現的EEPROM硬件電路。

圖9 I2C接口的EEPROM電路

3.3.3  串口電路(調試接口電路)

AN2131QC的固件程序開發編譯工具使用keil51，代碼調試過程中其與硬件電路的連接和通信是使用主機（PC機）RS232C串行總線通信接口。 

串行通信標準RS-232C

    RS-232C標準在物理接口上采用了9根信號（TxD、RxD、RTS、CTS、DSR、DTR、DCD、RI和GND）的電纜線，并對數據和控制信號標準作了定義。

在TxD和RxD上：邏輯1（MARK）＝－3V～－15V

                邏輯0（SPACE）＝＋3V～＋15V

在RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI等控制線上：

                信號有效（接通，ON狀態，正電壓）＝＋3V～＋15V

                信號無效（斷開，OFF狀態，負電壓）＝－3V～－15V

    對于數據（信息碼）：邏輯“1”的電平低于－3V，邏輯“0”的電平高于＋3V；對于控制信號：接通狀態（ON）即信號有效的電平高于＋3V，斷開狀態（OFF）即信號無效的電平低于－3V。

以上電氣特性表明當傳輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于－3V～＋3V之間的電壓無意義，低于－15V或高于＋15V的電壓也認為無意義。

四、USB接口的軟件設計

4.1  AN2131QC固件程序設計

指紋采集USB接口的固件程序由主程序、USB總線枚舉（設備請求）子程序和USB傳輸子程序構成。

4.1.1  主程序

主程序主要完成各種工作狀態標志，各種變量的RAM空間分配，功能模塊的初始化和各種中斷的設定。其框架結構流圖如圖10所示：

圖10  固件主程序圖

主程序工作過程如下：首先初始化內部的狀態變量，然后調用用戶初始化函數TD_Init()，此函故中包括對串口初始化和對指紋圖像傳感器OV7620的初始化函數的調用：此后，主程序電氣上模擬重連接，等待主機枚舉（即等待SETUP包出現）。與出現SETUP包后，就周而復始的進行任務調度：調用用戶函數TD_Poll()，執行功能任務（調用功能函數）；有SETUP請求，分析請求類型并執行相應請求；如收到掛起信號，調用TD_Suspend()函數將外設掛起。

4.1.2  枚舉子程序

當USB設備插入主機后，主機要進行總線枚舉以獲取USB設備的信息，從而調入相應的客戶驅動程序以便應用程序能夠操作USB外設。枚舉的主要工作有：主機首先通過默認地址0和默認端點0（控制端點0）發出設備描述符請求以獲取USB設備的設備描述符；然后給USB外設分配一個唯一的地址（此后訪問設備就通過此地址），并發出配置描述符請求獲取設備的配置信息（設備返回配置描述符、接口描述符和端點描述符）；最后主機根據設備的配置信息和USB設備的用途，向USB設備發出一個配置值。

由枚舉過程可以看出，枚舉本質上是些設備請求，是主機對描述符的獲取和對設備狀態的設定。因此合理設定USB設備的描述符表是整個枚舉能夠正確運行的關鍵。本指紋采集系統USB接口設備的部分描述符表實現（匯編形式）如下：

DeviceDscr： db DeviceDSCREnd- DeviceDscr ;; Descriptor length

db DSCR_DEVICE;;Decriptor type

dw 0001H  ;;Specification Version (BCD)

db OOH    ;;Device class

db 00H    ;;Device sub-class

db OOH    ;;Device sub-sub-class

db 64     ;;Maximum packet size

dw 4705H  ;;Vendor ID

dw 0210H  ;;Product ID-set to default example ID

dw 5153H  ;;Product 1D-set to QS ID

dw O100H  ;;Product version ID

db 0      ;;Manufacturer String index

db 0      ;;Product string index

db 0      ;;Serial number string index

db 1      ;;Number of configurations

deviceDscrEnd;

ConfigDscr: db ConfigDscrEnd-ConfigDscr ;; Descriptor length

db DSCR_CONFIG ;; Descriptor type

db StringDscr-ConfigDscr::Configuration+End Points length(LSB)

db (StringDscr-ConfigDscr)/256;(MSB)

db 1       ;;Number of interfaces

db 1      ;;Interface number

db 0      ;;Configuration string

db 10100000b;;Attributes (b7-buspwr,b6-selfpwr,b5-rwu)

db 0      ;;Power requirement (div 2 ma)

ConfigDscrEnd;

IntrfcDscr:

    db IntrfcDscrEnd-IntrfcDscr;;Descriptor length

    db DSCR_INTRFC;;Descriptor type

    db 0      ;;Zero-based index of this interface

    db 0      ;;Alternate setting

    db 2      ;;Number of end points

    db OffH   ;;Interface class

    db OOH    ;;Interface sub class

    db OOH    ;;Interface sub sub class

    db 0      ;;Interface descriptor string index

IntrfcDscrEnd:

EpInDscr:

    db EpInDscrEnd-EpInDscr;;Descriptor length

    db DSCR_ENDPNT;;Descriptor type

    db 82H    ;;Endpoint number, and direction

    db ET_BULK;;Endpoint type

    db 40H    ;;Maximun packet size (LSB)

    db OOH    ;;Max packect size (MSB)

    db OOH    ;;Polling interval

EpInDscrEnd:

EpOutDscr:

    db EpOutDscrEnd-EpOutDscr;;Descriptor length

    db DSCR_ENDPNT;;Descriptor type

    db 02H    ;;Endpoint number, and direction

    db ET_BULK;;Endpoint type

    db 40H    ;;Maximun packet size (LSB)

    db OOH    ;;Max packect size (MSB)

    db OOH    ;;Polling interval

EpOutDscrEnd:

     End

4.1.3  USB傳輸子程序

當采集的指紋數據導入了由SRAM和CPLD構成的高速數據緩沖區后，要通過USB接口將數據發送到上位PC機，AN2131QC必須先將數據讀入到內部USB緩沖區。因此，AN2131QC將數據傳到內部USB緩沖區的速度將是整個USB數據傳輸速度快慢的關鍵。為了使USB數據傳輸（從外部讀入數據并將之傳到PC機）達到最快，需要采用很多措施。

    正常情況下，AN2131QC內核結構從外部讀入數據到USB的端點緩沖區，要使用的匯編程序為：

    movx  a,@dptr;讀外部數據到acc寄存器

    inc dptr;外部地址加1

    inc dps;切換DPTR指針（內核有雙DPTR指針，用dps進行切換）

    movx  @dptr,a;將acc內容放入USB緩沖區

    inc dptr;  USB緩沖區地址加1

    inc dps;切換DPTR指針

    由上述程序可知，數據在寄存器中完成操作后，都必須有一個“inc dptr”，和“inc dps”指令來完成16位地址的增加和緩沖區指針切換。為了消除這種內部消耗，使用AN2131QC提供的一種特殊的硬件指指（只能用于內部緩沖區），8051裝載USB緩沖區地址到兩個AUTOPTRH（高字節地址）和AUTOPTRL（低字節地址）寄存器中，向AUTODATA寫入的數據就直接存入由AUTOPTR/H-L指向的地址緩存區中，并且內核自動增加AUTOPTR/H-L中16位地址的值。這樣USB緩沖區可以像FIFO一樣來順序寫入數據，節省了每次寫內部USB緩沖區時的“inc dptr”指令。同時內核還提供一種快速模式（只用于對外部數據操作），此模式從外部讀數據“move a,@dptr”時，直接將外部數據總線和內部緩沖區連在一起，由于使用CPLD和SRAM構成的指紋高速緩沖區具有FIFO的性質，所以使用快速模式讀外部指紋數據時也節省了“inc dptr”指令。所以將上述兩種方式結合起來，讀外部數據到內部緩沖區程序就只需要一條指令：movx@ dptr,a（dptr存放AUTODATA寄存器地址），此指令只需要兩個8051機器周期（8個24MHz時鐘周期）。這樣，一個字節可以在333納秒內讀入到USB端點緩沖區。

    在USB接口數據傳輸一側，當PC機要對一特定端點進行讀數據并發送IN令牌，如果一個IN令牌到達時8051還沒有完成向USB端點緩沖區的數據裝載（讀外部數據），AN2131QC就發送一個NAK握手信號來響應IN令牌，表明PC機應該在稍后再發送一個IN令牌。為了解決這種等待從而達到最快的傳輸速度，可以使用雙緩沖技術（端點配對），使8051在前一個數據包在USB總線上傳輸的時候，同時裝載塊數據的下一個數據包到內部USB緩沖區。

根據以上策略實現的傳輸程序流程如圖11所示：

圖11 數據傳輸流程圖

在主程序初始化過程中，設定latch_f＝1，使系統采集數據并存入由CPLD和SRAM構成的高速緩沖區，當采完一幀后，發出中斷請求，中斷服務子程序中設定latch_f＝0，允許通過USB將采集的高速緩沖區上的數據上傳到PC機。

由以上流圖實現的USB批量數據傳輸（沒有其它USB設備與它總線競爭的情況下），每幀（USB幀，1ms）能傳輸17個批量數據包（每包64字節），傳輸速率可達8.704Mb/s（可使用CATA USB總線分析工具看到每幀傳輸的數據），占整個總線利用率的73％。根據CATA USB分析數據可以看到，在整個USB幀傳輸過程中沒有出現等待狀況（即沒有出現NAK應答），這表明在USB數據傳輸中，AN2131QC從外部讀數據到內部緩沖的速度能滿足USB傳輸的要求，并能使USB批量傳輸達到最大傳輸速度以適應指紋識別系統中數據傳輸的要求。（同時可以看到這種方式下AN2131QC從外部讀數據到內部緩沖的速度不是整個傳輸過程的瓶頸，相反，數據的傳輸速度取決于USB協議）。

4.2  驅動程序

如今大部分的PC主機所使用的系統都集成了USB1.1的驅動程序，本次論文開發的指紋采集系統USB接口所使用的設備驅動程序是windaws98和windows2000兼容的WDM內核模式的驅動程序。

一個WDM設備驅動程序，通常可以完成以下功能：

·初始化驅動程序；

·創建、刪除設備；

·處理Win32 I/O及控制請求；

·串行化對設備的訪問；

·訪問硬件；

·調用其他驅動程序；

·取消I/O請求；

·超時I/O請求；

·即插即用處理；

·處理電源管理；

·使用WMI向系統管理員報告等等。

將這些功能劃分為不同模塊其中，其中初始化模塊“Init.cpp”是必不可少的，它包含有一個驅動程序的初始化入口點；在實際工作中，所有設備驅動程序都有分發例程模塊“Dispatch.cpp”來處理用戶I/O請求；WDM設備驅動程序還需要一個t即插即用模塊“Pnp.cpp”來管理設備的添加、刪除等功能。其他模塊 “Devicelo.cpp”、“ Power.cpp”、“Wmi.cpp”和“EventLog.cpp”都是可選的。

下面對即插即用模塊進行簡單介紹：

即插即用模塊中一個重要的例程就是創建設備例程AddDevice，這個例程在插入新設備且安裝INF文件指示這個驅動程序是要運行的驅動程序時被調用。在創建設備后，為了使設備對于Win32可見，必須為每個設備創建符號鏈接。把設備注冊為一個特定的設備接口就創建了一個符號鏈接，用戶態設備便可以取得擁有此GUID的設備。部分創建設備的代碼如下：

……

do

{ntStatus=Ezusb_ CreateDeviceObject (DriverObject, &deviceObject, instance);

instance++;

} while (! NT_SUCCESS (ntStatus) && (instance<MAX_ EZUSB_DEVICES));

if (NT_SUCCESS (ntStatus))

{

 pdx=deviceObject->DeviceExtension;

 deviceObject->Flags&=~DO_ DEVICE_ INITIALIZING;

 deviceObject->Flags|= DO_DIRECT_IO;

deviceObject->Flags|=DO_POWER_PAGABLE:

pdx->PhysicalDeviceObject=PhysicalDeviceObject;

pdx->StackDeviceObject=

 IoAttachDeviceToDeviceStack (deviceObject, PhysicalDeviceObject);

ASSERT (pdx->StackDeviceObject! =NULL);