潘錦明

摘? ?要：基于LPC1788微處理器（MCU）平臺(tái)設(shè)計(jì)的帶USB通信功能的設(shè)備，采用特殊的主機(jī)通信及設(shè)備端通信連接處理措施和方法，對(duì)連接故障進(jìn)行有效的處理。文章從上層軟件/動(dòng)態(tài)庫及設(shè)備端微處理器對(duì)USB連接異常采取了一些方法進(jìn)行容錯(cuò)來加強(qiáng)連接穩(wěn)定性。實(shí)際項(xiàng)目中解決了在輕軌交通控制領(lǐng)域應(yīng)用的USB通信接中斷等問題;有效克服了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾對(duì)USB通信的影響，提高了設(shè)備通信的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：USB通信;LPC1788;穩(wěn)定性;增強(qiáng)方法

1? ? USB設(shè)備發(fā)展背景

目前，USB設(shè)備廣泛應(yīng)用于各種終端設(shè)備，工業(yè)控制領(lǐng)域及自助設(shè)備對(duì)穩(wěn)定性要求較高，USB設(shè)備由于電磁干擾、設(shè)備震動(dòng)使線纜暫時(shí)松脫等原因，使得設(shè)備斷開連接后，將無法和主機(jī)進(jìn)行通信，尤其在一些現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)環(huán)境不佳的情況下，維護(hù)人員未能及時(shí)處理故障導(dǎo)致故障時(shí)間較長(zhǎng)，從而影響設(shè)備使用。本文基于LPC1788的微處理器平臺(tái)，介紹一種方法，從上層軟件/動(dòng)態(tài)庫及設(shè)備端微處理器對(duì)USB連接異常采取了一些方法進(jìn)行容錯(cuò)來加強(qiáng)連接穩(wěn)定性。

2? ? LPC1788芯片介紹及應(yīng)用特點(diǎn)

LPC1788是恩智浦半導(dǎo)體公司推出的基于ARM Cortex-M3的微處理器（MCU），具有3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令總線與數(shù)據(jù)總線，以及用于外設(shè)的性能略低的第3條總線。在最差的商用條件下的操作頻率可以高達(dá)120 MHz，包括高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器及96 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。含有多個(gè)USB，通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、以太網(wǎng)MAC，集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）等豐富的外圍設(shè)備通信接口。用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、工業(yè)、消費(fèi)電子及汽車等領(lǐng)域[1]。

3? ? USB連接穩(wěn)定性增強(qiáng)方法

USB通信在輕軌交通控制的實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，針對(duì)出現(xiàn)的一些故障，需要現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行診斷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)存在的問題，對(duì)USB連接通信穩(wěn)定性進(jìn)行加強(qiáng)，本文重點(diǎn)介紹以下兩種容錯(cuò)增強(qiáng)方法，組合起來可提高通信穩(wěn)定性。

3.1? 主機(jī)通信增強(qiáng)方法

在PC機(jī)端，目前，在主流的USB驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)的通信機(jī)制中，當(dāng)USB通信出現(xiàn)失敗的時(shí)候不會(huì)對(duì)總線設(shè)備進(jìn)行重新配置，一旦總線出現(xiàn)斷鏈，通信即使進(jìn)行重試也不會(huì)恢復(fù)。因此，現(xiàn)從主機(jī)端實(shí)行通信的容錯(cuò)及恢復(fù)措施。將主機(jī)通信不成功或者響應(yīng)超時(shí)的設(shè)備重新打開并配置后再重新聯(lián)通主機(jī)上層軟件，在和USB設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，若發(fā)現(xiàn)因?yàn)閁SB設(shè)備狀態(tài)斷開導(dǎo)致無法通信，可通過系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)禁用該USB設(shè)備，重新根據(jù)該設(shè)備比例—積分—微分（Proportion-Integral-Differential，PID）及供應(yīng)商ID號(hào)（Vendor ID，VID）進(jìn)行重新搜索，若設(shè)備重新復(fù)位連接并成功枚舉配置完成，則重新啟用設(shè)備。若上述操作能夠恢復(fù)USB連接，則對(duì)USB設(shè)備恢復(fù)之前的通信操作，避免因無法通信導(dǎo)致操作失敗及設(shè)備停機(jī)[2]。工作流程如圖1所示。

3.2? 設(shè)備端通信增強(qiáng)方法

LPC1788微處理器的固件程序使用USB從機(jī)設(shè)備的協(xié)議棧，該協(xié)議棧使用標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0協(xié)議規(guī)范，響應(yīng)從PC端主機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入及輸出通信操作。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并USB數(shù)據(jù)幀采用控制模式進(jìn)行傳輸。LPC1788的內(nèi)部USB架構(gòu)及USB設(shè)備電路原理如圖2所示。

若因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使得USB D+/D-電氣信號(hào)發(fā)生異常，導(dǎo)致USB總線掛起，利用LPC1788的USB總線檢測(cè)機(jī)制及硬件架構(gòu)，通過固件程序進(jìn)行硬件總線異常判斷并重新連接?；贚PC1788內(nèi)部的USB goodlink檢測(cè)技術(shù)，在設(shè)備處于枚舉成功狀態(tài)后，通過讀取USB_UP_LED信號(hào)，判斷出硬件處于被掛起狀態(tài)，此時(shí)則在LPC1788內(nèi)部的程序上對(duì)USB進(jìn)行重新連接并初始化USB設(shè)備，使得USB總線重新連接到主機(jī)，并進(jìn)行枚舉配置，枚舉恢復(fù)后對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。其中，USB_CONNECT為軟連接信號(hào)，用于控制USB總線D+信號(hào)電平狀態(tài)，控制USB_CONNECT從斷開到連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)USB總線的熱復(fù)位操作，重新建立USB連接。

3.3? USB程序?qū)崿F(xiàn)

基于LPC1788的微處理器（MCU）平臺(tái)及其USB外圍電路，將USB線纜連接到設(shè)備USB typeB接口上，另一端接在PC機(jī)USB接口上，實(shí)現(xiàn)主機(jī)通信及設(shè)備端通信連接。USB 驅(qū)動(dòng)程序采用分層總線結(jié)構(gòu)，主機(jī)和設(shè)備利用微處理器平臺(tái)上的USB控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

LPC1788固件程序在基于NXP（恩智浦）公司提供的一套完整固件程序框架基礎(chǔ)上，用戶代碼對(duì)設(shè)備端USB外設(shè)初始化、配置控制、通信過程、數(shù)據(jù)交互及命令執(zhí)行等流程進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)和主機(jī)通信及執(zhí)行主機(jī)下發(fā)的命令并完成相應(yīng)命令的設(shè)備功能操作。固件在后臺(tái)程序上對(duì)USB連接實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行輪詢處理，其中，對(duì)USB連接配置及檢測(cè)斷鏈后容錯(cuò)步驟的框架代碼程序如下：PC端的USB驅(qū)動(dòng)程序是基于Linux2.6.x內(nèi)核開發(fā)出來的，USB通用USB-skeleton開發(fā)程序建立在內(nèi)核源碼樹driver/USB/根目錄下，便于程序員進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用程序編程。USB驅(qū)動(dòng)注冊(cè)/注銷調(diào)用USB_driver結(jié)構(gòu)體指針數(shù)據(jù)，可以直接集成在內(nèi)核系統(tǒng)中，并進(jìn)行USB驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行和終止[4]。USB_driver結(jié)構(gòu)體內(nèi)函數(shù)豐富，USB驅(qū)動(dòng)注冊(cè)代碼程序如下：

3.4? 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證過程中，通過使用靜電干擾方法對(duì)USB的通信D-/D+進(jìn)行空氣放電干擾，在8 kV及―4 kV靜電的重復(fù)干擾下，偶爾會(huì)出現(xiàn)USB通信斷鏈情況，且后續(xù)繼續(xù)進(jìn)行通信也不能恢復(fù)。以上兩種措施組合后，在同樣的靜電環(huán)境干擾下，USB能夠從斷鏈的狀態(tài)中恢復(fù)過來并繼續(xù)通信，從而驗(yàn)證了措施的有效性。

4? ? 結(jié)語

基于LPC1788微處理器強(qiáng)大的硬件功能，通過固件代碼對(duì)硬件的控制流程進(jìn)行修改及優(yōu)化，能夠根據(jù)具體問題進(jìn)行有針對(duì)性的改善。經(jīng)過現(xiàn)有項(xiàng)目輕軌站臺(tái)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證對(duì)比，采用上述用上層軟件/動(dòng)態(tài)庫及設(shè)備固件兩種增強(qiáng)方法組合后的設(shè)備，原有的USB通信連接不上的問題得到徹底改善，且不需要人手對(duì)線纜進(jìn)行插拔恢復(fù)，有效避免了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾對(duì)USB通信質(zhì)量的影響，提高了設(shè)備通信的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備整機(jī)的維護(hù)頻率。