基于MCU+USB接口芯片方案的電子巡更系統(tǒng)硬件設(shè)計

電子巡更系統(tǒng)是智能樓宇中保安系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。保安巡更時，需按指定的路線和時間，依次以達(dá)各個巡更點進(jìn)行巡更。在此系統(tǒng)中，各巡更點設(shè)有信息鈕扣，保安用巡更機(jī)讀取信息鈕及當(dāng)前時間。巡更完畢后，將巡更機(jī)交至安保中心，使之與計算機(jī)的USB接口相連，將存儲在巡更機(jī)中的巡更數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)。所以，通過它可以了解保安的巡更情況，有效地管理和督促保安的工作。

1996年，Intel、Microsoft、IBM等七家公司共同推出USB1.0通用串行接口標(biāo)準(zhǔn)，隨后帶USB接口的產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)。USB接口具有速度快、支持熱插拔和即插即用、易擴(kuò)展、可提供總線供電等優(yōu)點。

基于USB接口的諸多優(yōu)點和本設(shè)計中巡更機(jī)的特點，我們在設(shè)計巡更系統(tǒng)時，采用了USB接口。該電子巡更系統(tǒng)具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、易擴(kuò)展、充電方便、功耗低、性價比高等優(yōu)點，有效地解決了傳統(tǒng)巡更機(jī)的不足。

1 電子巡更系統(tǒng)硬件設(shè)計

針對電子巡更系統(tǒng)的特點，為了降低開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的性價比，本設(shè)計采用MCU+USB接口芯片的方案。MCU采用Atmel公司的 AT89C52單片機(jī)，可以設(shè)置成低功耗方式。USB接口芯片采用Philips公司的PDIUSBD12。帶USB接口的電子巡更系統(tǒng)硬件原理框圖如圖 1所示。

圖1 巡更機(jī)硬件原理框圖

其中DS1302為高性能、低功耗、寬電壓、帶有RAM實時時鐘芯片，它適合于工作電池供電設(shè)備的系統(tǒng)時鐘。這里MCU通過它讀了當(dāng)前時間;24LC64為低功耗、寬電壓、64Kb、支持I2C協(xié)議的串行CMOS電可擦除程序存儲器EEPROM，這里用于存儲巡更點信息鈕扣的ID值和讀取信息鈕扣時間數(shù)據(jù)。DS1990A外形上是一種圓形不銹鋼器件，內(nèi)部存有64b的二進(jìn)制代碼，以此代碼作為巡更點的ID值。DS1302和24LC64電壓工作范圍為2.5～5.5V，以I2C總線和MCU通信。DS1990A以單總線（1-Wire總線）和MCU通信。

本系統(tǒng)中巡更機(jī)采用3.6V可充電電池供電，充電電源由USB接口的5V電源線提供，電源電壓監(jiān)測電路如圖2所示。其呂AMS1117是一個 DC-DC電壓變換器，其輸入端為USB接口的5個電源線，輸出端為3.3V電壓，以此電壓為3.6V電源充電。MAX9117是一個帶有1.245V基準(zhǔn)電壓（Vref）的比較器。當(dāng)電池電壓下降到3V以下時，LED點亮，指示電量不足。

PDIUSBD12是一種性能優(yōu)化的USB器件。它是一種與微控制器進(jìn)行通信的高速愛用并行接口，它同時也支持本地DMA傳輸。設(shè)計人員可以在各種不同類型的微控制器中選擇出最合適的微控制器，而且不需要專用的開發(fā)設(shè)備。這種組件方式增強了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性，減少了開發(fā)時間、風(fēng)險和費用，是開發(fā)USB外設(shè)的一種快捷和經(jīng)濟(jì)的途徑。PDIUSBD12符合USB1.1規(guī)范，也符合大多數(shù)在規(guī)范，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等。因此，PDIUSBD12非常適合數(shù)外圍設(shè)備，如打印機(jī)、掃描儀、外部大容易存儲器（Zip驅(qū)動器）和數(shù)碼相機(jī)等的接口芯片。它使得當(dāng)前使用SCSI的系統(tǒng)可以立即降低成本。

2 電子巡更系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 巡更機(jī)固件程序

巡更機(jī)固件程序從功能上主要分為兩部分。

①信息鈕扣的讀取操作程序。這一部分實現(xiàn)MCU主外圍器件的初始化、讀取信息鈕以及對DS1302和24LC64的讀寫操作。調(diào)試時要注意I2C總線的時序問題。巡更機(jī)固件程序采用C語言編程。信息鈕讀取操作程序流程如圖3所示。

②MCU和USB接口的通信程序。這一部分程序要實現(xiàn)將24LC64中的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口讀入到上位計算機(jī)中。USB接口芯片 PDIUSBD12的端點適用于不同類型的設(shè)備，可通過命令配置為4種不同的模式：模式0（非同步傳輸）、模式1（同步輸出傳輸）、模式2（同步輸入傳輸）和模式3（同步輸入輸出傳輸）。PDIUSBD12帶有三個端點，即端點0、端點1和端點2。這里僅列出模式0（非同步傳輸）時各端點的配置表格，如表1所列。

表1 模式0各端點配置

端點號端點索引傳輸類型端點類型方向最大數(shù)據(jù)包容量/B

00

1控制輸出

控制輸入缺少值輸出

輸入16

16

12

3普通輸出

普通輸入普通

普通輸出

輸入16

16

24

5普通輸出

普通輸入普通

普通輸出

輸入64×2（雙緩沖區(qū)）

64×2（雙緩沖區(qū)）

本程序設(shè)計時，使用PDIUSBD12的端點1和端點2進(jìn)行上位計算機(jī)與巡更機(jī)MCU之間的命令和數(shù)據(jù)的傳輸。端點1和端點2設(shè)置成模式0，其中端點1進(jìn)行命令的傳輸和應(yīng)答，端點2用于數(shù)據(jù)的傳輸。端點1接收上位計算機(jī)發(fā)送過來的8字節(jié)的讀指令，指令正確回應(yīng)后，使用端點2返回讀成功數(shù)據(jù)。通信中所使用的端點情況如圖4所示（括號內(nèi)為使用的端點號）。

PDIUSBD12收到上位計算機(jī)的數(shù)據(jù)包時，就以中斷的方式通知巡更機(jī)的MCU。固件程序工作過程如下：當(dāng)PDIUSBD12從USB收到一個數(shù)據(jù)包時，PDIUSBD12就會對MCU產(chǎn)生中斷請求，MCU立即響應(yīng)中斷。巡更機(jī)固件程序?qū)?shù)據(jù)包從PDIUSBD12內(nèi)部緩沖區(qū)移到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并清零PDIUSBD12的內(nèi)部緩沖區(qū)，以使之能接收新的數(shù)據(jù)包。在斷處理程序中，MCU判斷產(chǎn)生的中斷類型，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。其中斷程序流程如圖5所示。

2.2 巡更機(jī)驅(qū)動程序

Windows98和Windows2000已經(jīng)為一些USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供了驅(qū)動程序，巡更機(jī)目前還不是標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)外設(shè)，所以必須針對巡更機(jī)的特點來編寫驅(qū)動程序。本設(shè)計中巡更機(jī)驅(qū)動程序是通過Windows DDK來開發(fā)的，它是Microsoft公司提供的一個開發(fā)Windows驅(qū)動程序的工具，DDK提供了編譯驅(qū)動程序的環(huán)境。該巡更機(jī)的驅(qū)動程序是WDM 類型的，采用VC++編程。

驅(qū)動程序中對USB進(jìn)行操作的請求都應(yīng)調(diào)用系統(tǒng)例程，將其轉(zhuǎn)化為一個URB結(jié)構(gòu)，即USB請求塊（USB Request Block），然后使用系統(tǒng)級的IRP將其提交。該驅(qū)動程序由四個模塊組成：初始化模塊、即插即用管理模塊、電源管理模塊和I/O控制模塊。

①初始化模塊。DriverEntry為驅(qū)動程序的入口處，通過它來執(zhí)行大量的初始化函數(shù)。

②即插即用管理模塊實現(xiàn)設(shè)備的熱插拔和動態(tài)配置。驅(qū)動程序初始化完成后，接著對設(shè)備進(jìn)行初始化，這主要是通過即插即用（PnP）管理器調(diào)用驅(qū)動程序中的AddDevice和IRP_MJ_PNP兩個例程來完成的。當(dāng)驅(qū)動程序從PnP管理器中收到IRP_MN_START_DEVICE請求時，驅(qū)動程序啟動設(shè)備，并且準(zhǔn)備好處理I/O操作。

③電源管理模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的喚醒和掛起。電源管理器（powermanager）從整個系統(tǒng)的角度來管理電源，所有與電源相關(guān)的IRP都是由它發(fā)出的，它發(fā)出的請求包可以指定一種新的電源狀態(tài)以及查詢或更改一種狀態(tài)。支持電源管理的驅(qū)動程序，在最大程序地幫助Windows合理地利用資源方面起著重要作用。值得注意的是，與電源相關(guān)的IRP必須在同步操作上有非常嚴(yán)格的要求。例如，任何時候在一個PDO（物理設(shè)備對象）中。只能有一個 IRP_MN_QUERY_POWER或者IRP_MN_SET_POWER;電源IRP的處理要盡可能地快等。

④I/O控制模塊完成輸入輸出請求的大部分功能。設(shè)備的控制由設(shè)備控制例程（IRP_MJ_DEVICE_CONTROL）負(fù)責(zé)，主要是對設(shè)備進(jìn)行一些操作命令的發(fā)送或者標(biāo)志的讀取。數(shù)據(jù)讀寫主要由IRP_MJ_READ和IRP_MJ_WRITE兩個例程完成，只需在AddDevice中申請一個符號鏈接，并且在StartDevice中將此符號鏈接激活即可。

2.3 應(yīng)用程序設(shè)計

在Win32系統(tǒng)中，每一個設(shè)備對象都抽象為文件，此時的應(yīng)用程序只需通過幾條簡單的文件操作API函數(shù)，就可以實現(xiàn)與驅(qū)動程序中某個設(shè)備的通信。在本設(shè)計中，應(yīng)用程序是該電子巡更系統(tǒng)的中心，采用Visual C++編程。其主要功能有：啟動或關(guān)閉USB設(shè)備、檢查USB設(shè)備、設(shè)置巡更參數(shù)、從巡更機(jī)中讀取數(shù)據(jù)以及顯示、比較、存儲數(shù)據(jù)等。

結(jié)語

USB接口因其具有諸多優(yōu)點，近年來為計算機(jī)外設(shè)的開發(fā)熱點，尤其是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的推出，其傳輸速率可達(dá)480Mb/s，使其真正意義上成為了一種通用串行總線。而根據(jù)筆者的實際開發(fā)經(jīng)驗，Philips公司的PDIUSBD12是一種性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)、實用、高效的USB接口器件，很適合投資少、周期短的開發(fā)項目，而且可以根據(jù)自己的實際情況靈活地選擇組件，相信其在各領(lǐng)域必有廣闊的應(yīng)用前景。