指纹采集系统中USB接口的设计(四)

图7  电压调整电路

3.3.2  I2C总线的EEPROM电路

在前面电路设计中已经提到，当EZ-USB AN2131QC芯片上电时，EZ-USB的引导装载器检查I2C总线上是否存在EEPROM，如果检测到EEPROM存在，装载程序就会读取EEPROM的第一个字节，以决定如何进行总线的枚举。因此，整个硬件电路中EEPROM模块电路是不可缺少的（当然对于调试可以没有，但作为一个USB设备是不可缺少的）。

    选用具有I2C总线接口的EEPROM芯片24LC64。24LC64是8K字节的电可擦除的PROM，其工作电压范围为2.5V～5.5V。24LC64可以一次写入32字节（一页），可以任意的或连续读出8K字节数据。其一种封装类型管脚（SO1C）如图8所示：

图8  24LC64管脚

其中A2，A1，A0为用户配置地址，在USB接口硬件系统中，此地址必须为0、0、1。WP为写保护，SCL、SDA为I2C总线的时钟和数据线。由于在AN2131QC中，I2C控制器是漏极开路的，因此使用中必须将SCL和SDA线经过电阻上拉。图9为实现的EEPROM硬件电路。

图9 I2C接口的EEPROM电路

3.3.3  串口电路(调试接口电路)

AN2131QC的固件程序开发编译工具使用keil51，代码调试过程中其与硬件电路的连接和通信是使用主机（PC机）RS232C串行总线通信接口。 

串行通信标准RS-232C

    RS-232C标准在物理接口上采用了9根信号（TxD、RxD、RTS、CTS、DSR、DTR、DCD、RI和GND）的电缆线，并对数据和控制信号标准作了定义。

在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）＝－3V～－15V

                逻辑0（SPACE）＝＋3V～＋15V

在RTS、CTS、DSR、DTR、DCD和RI等控制线上：

                信号有效（接通，ON状态，正电压）＝＋3V～＋15V

                信号无效（断开，OFF状态，负电压）＝－3V～－15V

    对于数据（信息码）：逻辑“1”的电平低于－3V，逻辑“0”的电平高于＋3V；对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于＋3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于－3V。

以上电气特性表明当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于－3V～＋3V之间的电压无意义，低于－15V或高于＋15V的电压也认为无意义。

四、USB接口的软件设计

4.1  AN2131QC固件程序设计

指纹采集USB接口的固件程序由主程序、USB总线枚举（设备请求）子程序和USB传输子程序构成。

4.1.1  主程序

主程序主要完成各种工作状态标志，各种变量的RAM空间分配，功能模块的初始化和各种中断的设定。其框架结构流图如图10所示：

图10  固件主程序图

主程序工作过程如下：首先初始化内部的状态变量，然后调用用户初始化函数TD_Init()，此函故中包括对串口初始化和对指纹图像传感器OV7620的初始化函数的调用：此后，主程序电气上模拟重连接，等待主机枚举（即等待SETUP包出现）。与出现SETUP包后，就周而复始的进行任务调度：调用用户函数TD_Poll()，执行功能任务（调用功能函数）；有SETUP请求，分析请求类型并执行相应请求；如收到挂起信号，调用TD_Suspend()函数将外设挂起。

4.1.2  枚举子程序

当USB设备插入主机后，主机要进行总线枚举以获取USB设备的信息，从而调入相应的客户驱动程序以便应用程序能够操作USB外设。枚举的主要工作有：主机首先通过默认地址0和默认端点0（控制端点0）发出设备描述符请求以获取USB设备的设备描述符；然后给USB外设分配一个唯一的地址（此后访问设备就通过此地址），并发出配置描述符请求获取设备的配置信息（设备返回配置描述符、接口描述符和端点描述符）；最后主机根据设备的配置信息和USB设备的用途，向USB设备发出一个配置值。

由枚举过程可以看出，枚举本质上是些设备请求，是主机对描述符的获取和对设备状态的设定。因此合理设定USB设备的描述符表是整个枚举能够正确运行的关键。本指纹采集系统USB接口设备的部分描述符表实现（汇编形式）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传输子程序

当采集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲区后，要通过USB接口将数据发送到上位PC机，AN2131QC必须先将数据读入到内部USB缓冲区。因此，AN2131QC将数据传到内部USB缓冲区的速度将是整个USB数据传输速度快慢的关键。为了使USB数据传输（从外部读入数据并将之传到PC机）达到最快，需要采用很多措施。

    正常情况下，AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区，要使用的汇编程序为：

    movx  a,@dptr;读外部数据到acc寄存器

    inc dptr;外部地址加1

    inc dps;切换DPTR指针（内核有双DPTR指针，用dps进行切换）

    movx  @dptr,a;将acc内容放入USB缓冲区

    inc dptr;  USB缓冲区地址加1

    inc dps;切换DPTR指针

    由上述程序可知，数据在寄存器中完成操作后，都必须有一个“inc dptr”，和“inc dps”指令来完成16位地址的增加和缓冲区指针切换。为了消除这种内部消耗，使用AN2131QC提供的一种特殊的硬件指指（只能用于内部缓冲区），8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH（高字节地址）和AUTOPTRL（低字节地址）寄存器中，向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H-L指向的地址缓存区中，并且内核自动增加AUTOPTR/H-L中16位地址的值。这样USB缓冲区可以像FIFO一样来顺序写入数据，节省了每次写内部USB缓冲区时的“inc dptr”指令。同时内核还提供一种快速模式（只用于对外部数据操作），此模式从外部读数据“move a,@dptr”时，直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一起，由于使用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质，所以使用快速模式读外部指纹数据时也节省了“inc dptr”指令。所以将上述两种方式结合起来，读外部数据到内部缓冲区程序就只需要一条指令：movx@ dptr,a（dptr存放AUTODATA寄存器地址），此指令只需要两个8051机器周期（8个24MHz时钟周期）。这样，一个字节可以在333纳秒内读入到USB端点缓冲区。

    在USB接口数据传输一侧，当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌，如果一个IN令牌到达时8051还没有完成向USB端点缓冲区的数据装载（读外部数据），AN2131QC就发送一个NAK握手信号来响应IN令牌，表明PC机应该在稍后再发送一个IN令牌。为了解决这种等待从而达到最快的传输速度，可以使用双缓冲技术（端点配对），使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时候，同时装载块数据的下一个数据包到内部USB缓冲区。

根据以上策略实现的传输程序流程如图11所示：

图11 数据传输流程图

在主程序初始化过程中，设定latch_f＝1，使系统采集数据并存入由CPLD和SRAM构成的高速缓冲区，当采完一帧后，发出中断请求，中断服务子程序中设定latch_f＝0，允许通过USB将采集的高速缓冲区上的数据上传到PC机。

由以上流图实现的USB批量数据传输（没有其它USB设备与它总线竞争的情况下），每帧（USB帧，1ms）能传输17个批量数据包（每包64字节），传输速率可达8.704Mb/s（可使用CATA USB总线分析工具看到每帧传输的数据），占整个总线利用率的73％。根据CATA USB分析数据可以看到，在整个USB帧传输过程中没有出现等待状况（即没有出现NAK应答），这表明在USB数据传输中，AN2131QC从外部读数据到内部缓冲的速度能满足USB传输的要求，并能使USB批量传输达到最大传输速度以适应指纹识别系统中数据传输的要求。（同时可以看到这种方式下AN2131QC从外部读数据到内部缓冲的速度不是整个传输过程的瓶颈，相反，数据的传输速度取决于USB协议）。

4.2  驱动程序

如今大部分的PC主机所使用的系统都集成了USB1.1的驱动程序，本次论文开发的指纹采集系统USB接口所使用的设备驱动程序是windaws98和windows2000兼容的WDM内核模式的驱动程序。

一个WDM设备驱动程序，通常可以完成以下功能：

·初始化驱动程序；

·创建、删除设备；

·处理Win32 I/O及控制请求；

·串行化对设备的访问；

·访问硬件；

·调用其他驱动程序；

·取消I/O请求；

·超时I/O请求；

·即插即用处理；

·处理电源管理；

·使用WMI向系统管理员报告等等。

将这些功能划分为不同模块其中，其中初始化模块“Init.cpp”是必不可少的，它包含有一个驱动程序的初始化入口点；在实际工作中，所有设备驱动程序都有分发例程模块“Dispatch.cpp”来处理用户I/O请求；WDM设备驱动程序还需要一个t即插即用模块“Pnp.cpp”来管理设备的添加、删除等功能。其他模块 “Devicelo.cpp”、“ Power.cpp”、“Wmi.cpp”和“EventLog.cpp”都是可选的。

下面对即插即用模块进行简单介绍：

即插即用模块中一个重要的例程就是创建设备例程AddDevice，这个例程在插入新设备且安装INF文件指示这个驱动程序是要运行的驱动程序时被调用。在创建设备后，为了使设备对于Win32可见，必须为每个设备创建符号链接。把设备注册为一个特定的设备接口就创建了一个符号链接，用户态设备便可以取得拥有此GUID的设备。部分创建设备的代码如下：

……

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);