王維

摘要：探討船舶導(dǎo)航儀對(duì)多串口的需求，提出一種用GD32F305單片機(jī)擴(kuò)展多串口的方案，該方案采用USB 通信。以RK3128主板為例介紹該擴(kuò)展方案的硬件連接，接著探討了單片機(jī)程序的具體實(shí)現(xiàn)，最后介紹用libusb進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：串口擴(kuò)展；GD32；單片機(jī)；USB

船用很多電子設(shè)備是通過(guò) RS-422串口傳輸數(shù)據(jù)，比如導(dǎo)航儀通過(guò) RS-422串口傳輸 NMEA －0183數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括定位信息，導(dǎo)航信息，船艏信息，雷達(dá)信息等。這就要求船上的顯示終端需要有很多的串口來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。導(dǎo)航儀主板上的 SoC 芯片原生串口數(shù)量有限，有時(shí)不能滿(mǎn)足用戶(hù)需要，這就需要外接模塊來(lái)擴(kuò)展串口。USB 總線(xiàn)連接簡(jiǎn)單，信號(hào)只需要一對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)傳輸，全速傳輸模式下帶寬可達(dá)12 Mbps；常見(jiàn)的船舶電子設(shè)備，其中 RS-422最高傳輸需求波特率為115200 bps，USB 全速模式下傳輸率超過(guò)其100倍。 USB總線(xiàn)擴(kuò)展多個(gè)串口具有連線(xiàn)簡(jiǎn)單，傳輸率高的優(yōu)勢(shì)，適合做多串口擴(kuò)展。

本文探討的擴(kuò)展模塊基于單片機(jī) GD32F305設(shè)計(jì)，采用 USB 總線(xiàn)擴(kuò)展最多5路串口。GD32F305是兆易創(chuàng)新公司出品的一個(gè)單片機(jī)系列，該系列單片機(jī)有一路USB 總線(xiàn)，5路串口，CPU 核心采用 Cortex-M4，可以運(yùn)行在120 MHz，功能和性能均可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1信號(hào)連接框圖

本文以一款 RK3128導(dǎo)航儀主板為例，探討串口擴(kuò)展方案。圖1是主板信號(hào)連接圖，為重點(diǎn)說(shuō)明擴(kuò)展方案，信號(hào)只保留 USB 和串口部分。

RK3128 是瑞芯微出品的 ARM Cortex-A7 4 核處理器，RK3128有3個(gè)原生串口，其中串口2和SD接口復(fù)用，實(shí)際可用的原生串口只有 2 個(gè) ， 不夠連接外部設(shè)備，因此采用本文所述方案擴(kuò)展串口。如上圖 RK3128 有 1 個(gè)USB OTG，和 1 個(gè) USB HOST 接口，其中 USB OTG用于其它通用外設(shè)（如 U 盤(pán)，鼠標(biāo)） 和引導(dǎo)鏡像燒寫(xiě)，USB HOST 接口連接 GD32F305RB 擴(kuò)展串口；GD32 的5 個(gè)串口全部引出用于連接其它船用電子設(shè)備。

GD32F305 系列單片機(jī)，CPU 核心采用 Cortex-M4，最大運(yùn)行頻率為 120 MHz，內(nèi)置最少 64 KB SRAM，最少128 KB FLASH，包含1個(gè)USB OTG端口，5個(gè)串口（3個(gè) USART 和 2 個(gè) UART，5 個(gè)串口支持最高 9 Mbit/s波特率） 及其他豐富的外設(shè)資源。

2單片機(jī)程序

兆易創(chuàng)新提供了 GD32F305的固件庫(kù)，其中包含工程模板，啟動(dòng)程序，豐富的外設(shè)調(diào)用程序及范例程序，并且還有用于簡(jiǎn)化 USB 固件程序設(shè)計(jì)的 USB 程序框架。為加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，本方案充分利用了固件庫(kù)，并參照其中的 USB CDC 范例代碼 ， 以 USB 程序框架為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了 USB 通信程序。單片機(jī)程序包括串口收發(fā)程序，USB 收發(fā)程序，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及命令處理程序，圖2是整個(gè)單片機(jī)程序的概要圖。

3 串口收發(fā)程序

串口收發(fā)封裝為以下函數(shù) ：

void uart_init（）;

int uart_read（int chn， void*dat， int size）;

int uart_write（int chn， constvoid* dat， int size）;

int uart_ioctl（int chn， intcmd， void * args）;

uart_init（） 為串口初始化函數(shù)，用于初始化所有用到的串口，主要包括收發(fā)緩沖初始化，串口引腳功能初始化，功能寄存器初始化，中斷初始化。

uart_read（） 為串口接收函數(shù)，chn為串口編號(hào) ， dat為接收數(shù)據(jù)緩沖指針，size 為數(shù)據(jù)緩沖的字節(jié)數(shù)，返回值為實(shí)際讀取到的字節(jié)數(shù)。

uart_write（） 為串口發(fā)送函數(shù)，chn為串口編號(hào)，dat為要發(fā)送的數(shù)據(jù)指針，size 為要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，返回實(shí)際寫(xiě)入串口發(fā)送緩沖的字節(jié)數(shù)。

uart_ioctl（） 用于響應(yīng)控制命令，chn為串口編號(hào)，cmd為命令編號(hào)，args為命令參數(shù)，返回值根據(jù)不同命令定義。uart_ioctl（） 主要處理串口波特率設(shè)置，回應(yīng)當(dāng)前對(duì)應(yīng)串口發(fā)送緩沖字節(jié)數(shù)這兩個(gè)功能。

uart_read（） 和uart_write（） 都是非阻塞設(shè)計(jì)，都是對(duì)相應(yīng)的串口收發(fā)緩沖操作，實(shí)際數(shù)據(jù)收發(fā)是在中斷函數(shù)中處理。串口的中斷處理函數(shù)uart_irq_handle（） 定義如下：

如上代碼，串口中斷處理函數(shù)uart_irq_handle（）調(diào)用了固件庫(kù)串口函數(shù)usart_interrupt_flag_get（）來(lái)判斷當(dāng)前串口是否觸發(fā)了接收和發(fā)送中斷，usart_data_ receive（）用于從當(dāng)前串口接收寄存器讀取接收到的數(shù)據(jù)，usart_data_transmit（）用于將1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入當(dāng)前串口的發(fā)送寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)。bfifo_in_byte（）和bfifo_out_byte（）是一種環(huán)形緩沖bfifo的操作函數(shù)，bfifo_in_byte（）用于將1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖，bfifo_ out_byte（）用于從緩沖讀取1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，成功讀取返回 true，如果緩沖無(wú)數(shù)據(jù)則返回 false。

串口一次收發(fā)字節(jié)數(shù)不固定，環(huán)形緩沖很適合這種中斷處理隨機(jī)字節(jié)數(shù)據(jù)流的收發(fā)。環(huán)形緩沖是一種有固定存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有讀、寫(xiě)兩個(gè)指針，讀取緩沖時(shí)只操作讀指針，不會(huì)修改寫(xiě)指針；往緩沖寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)只操作寫(xiě)指針而不會(huì)修改讀指針，環(huán)形緩沖的這種指針操作機(jī)制使得操作指針時(shí)不需要對(duì)指針做中斷互斥保護(hù)，因此不需要在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉開(kāi)啟中斷。

環(huán)形緩沖的操作，要將指針的操作限定在環(huán)形緩沖大小之內(nèi)，一般可以采用取模運(yùn)算，比如以 f->ptr_out為環(huán)形緩沖的讀指針，f->size 為環(huán)形緩沖的字節(jié)大小，當(dāng)讀取完一個(gè)字節(jié)，讀指針前進(jìn)為例，代碼如下：

本方案采用的bfifo參照l(shuí)inux kernel 的kfifo， 在上述基礎(chǔ)上優(yōu)化了指針的操作，將環(huán)形緩沖的大小限定為2的 n 次方，n 為整數(shù)，將取模操作用與運(yùn)算替代以加速計(jì)算過(guò)程。同上述例子一樣的操作，設(shè) f->mask=f-> size-1，代碼如下：

由于串口接收到數(shù)據(jù)后，中斷處理函數(shù)將數(shù)據(jù)保存到了環(huán)形接收緩沖中，uart_read（）函數(shù)只需要從環(huán)形接收緩沖將數(shù)據(jù)讀出保存到形參；uart_write（）則將形參指向的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到相應(yīng)的環(huán)形發(fā)送緩沖中，并判斷當(dāng)前串口發(fā)送中斷是否關(guān)閉，如果發(fā)送中斷關(guān)閉則重新打開(kāi)，單片機(jī)將觸發(fā)發(fā)送中斷，發(fā)送環(huán)形發(fā)送緩沖的數(shù)據(jù)。

4 USB 數(shù)據(jù)收發(fā)程序

USB 數(shù)據(jù)收發(fā)程序封裝為以下函數(shù)：

usb_init（）為初始化函數(shù)，主要初始化 USB 端口，USB 程序框架用到的定時(shí)器，USB 中斷，各種 USB 描述符等。

usb_write（）為 USB 數(shù)據(jù)送函數(shù)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過(guò) bulk 端點(diǎn)發(fā)往主機(jī)，dat為要發(fā)送的數(shù)據(jù)指針，size 為要發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，返回實(shí)際發(fā)送的字節(jié)數(shù)。

usb_read（）是 USB 數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，負(fù)責(zé)讀取從主機(jī)發(fā)送往 bulk 端點(diǎn)的數(shù)據(jù)，dat為數(shù)據(jù)接收緩沖指針，size 為緩沖字節(jié)數(shù)，返回值為實(shí)際讀取到的字節(jié)數(shù)。

usb_set_class_callback（）用于設(shè)置 USB Class 請(qǐng)求回調(diào)，callback 為回調(diào)函數(shù)，callback 的參數(shù)wIndex，bRequest，wValue，wLength對(duì)應(yīng) USB 標(biāo)準(zhǔn)控制傳輸?shù)南鄳?yīng)參數(shù)，dat為數(shù)據(jù)緩沖指針，程序?qū)Request作為請(qǐng)求命令，當(dāng)wLength>0時(shí)，程序根據(jù)bRequest內(nèi)容讀取dat或往dat寫(xiě)數(shù)據(jù)。

USB 數(shù)據(jù)收發(fā)程序相比串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序復(fù)雜很多，因此本方案借助兆易創(chuàng)新的 USB 程序框架來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。 USB 程序框架實(shí)現(xiàn)了基本的 USB 傳輸，調(diào)用固件庫(kù)提供的 USB 設(shè)備初始化函數(shù)，設(shè)置好相應(yīng)的回調(diào)程序指針和 USB 描述符，可快速實(shí)現(xiàn)基本的 USB 數(shù)據(jù)傳輸。

固件庫(kù) USB 設(shè)備初始化函數(shù)為usbd_init（），其定義如下：

其中參數(shù)udev為 USB 驅(qū)動(dòng)句柄指針，usbd_init將初始化其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后程序操作 USB 設(shè)備將用到該句柄。

參數(shù) core 為 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)核心枚舉。USB 固件庫(kù)支持 USB 全速和 USB 高速設(shè)備，core 用來(lái)指示這兩種類(lèi)型設(shè)備的其中1種。（全速設(shè)備帶寬為12 Mbps，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)，本方案實(shí)現(xiàn)的是全速設(shè)備；高速設(shè)備的帶寬為480 Mbps，實(shí)現(xiàn)高速USB 設(shè)備，需要外加 ULPI 芯片。）

參數(shù) desc 為 USB 描述符指針，desc 定義了設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符等。這些描述符用來(lái)描述 USB 設(shè)備的屬性和用途。主機(jī)會(huì)在枚舉設(shè)備時(shí)獲取以確定設(shè)備是什么樣的設(shè)備，需要的總線(xiàn)資源，通訊方式等。

參數(shù)class_core為 USB 類(lèi)結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體定義了 USB 類(lèi)的初始化、反初始化、類(lèi)請(qǐng)求、數(shù)據(jù)收發(fā)等函數(shù)指針，程序在初始化時(shí)設(shè)置好這些指針，這些指針將在 USB 程序框架中被調(diào)用。其定義如下：

其中init為初始化函數(shù)指針，當(dāng) USB 連接時(shí)該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，程序可在初始化函數(shù)中分配端點(diǎn)，初始化收發(fā)緩沖等；deinit為反初始化函數(shù)指針，USB 連接斷開(kāi)時(shí)被調(diào)用，程序要在這里釋放資源；req_proc為設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)指針，用于處理端點(diǎn) 0 控制傳輸，當(dāng)主機(jī)通過(guò)端點(diǎn) 0 請(qǐng)求傳輸時(shí)，該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，本方案在這里響應(yīng)類(lèi)請(qǐng)求，處理串口波特率設(shè)置和串口緩沖大小獲取；data_in是處理 data in 傳輸?shù)暮瘮?shù)指針，當(dāng)主機(jī)向 USB 設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，程序在這里準(zhǔn)備好要發(fā)往主機(jī)的數(shù)據(jù)；data_out是處理 data out 傳輸?shù)暮瘮?shù)指針，當(dāng)主機(jī)往 USB 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該指針指向的函數(shù)被調(diào)用，程序在這里接收主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)。

分析 USB 程序框架，USB 數(shù)據(jù)傳輸采用 DMA，1次可能傳輸多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)；data_in和data_out都是在中斷處理程序中被調(diào)用，因此本文案設(shè)計(jì)一種環(huán)形緩沖加雙緩沖的方案來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸效率。環(huán)形緩沖用于避免變量互斥沖突，而雙緩沖用于提高 DMA 傳輸效率。

上述雙緩沖，由1個(gè)寫(xiě)緩沖和1個(gè)讀緩沖構(gòu)成，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

結(jié)構(gòu)體成員 buffer 為內(nèi)存緩沖，buf_len為雙緩沖的字節(jié)數(shù)，程序分配雙緩沖時(shí)，分配 buffer 空間為雙倍buf_len字節(jié)數(shù)； index 為數(shù)據(jù)索引，用于指示當(dāng)前讀寫(xiě)緩沖的地址；len為當(dāng)前寫(xiě)緩沖的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

當(dāng)程序往雙緩沖寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，先獲取寫(xiě)緩沖的地址，寫(xiě)緩沖的地址為buffer+index*buf_len，再將數(shù)據(jù)寫(xiě)入寫(xiě)緩沖的末尾，地址為buffer+index*buf_len+len，之后再根據(jù)數(shù)據(jù)大小累加len。

當(dāng)程序要讀取雙緩沖數(shù)據(jù)時(shí)，程序先讀取當(dāng)前寫(xiě)緩沖的字節(jié)數(shù)，獲取當(dāng)前寫(xiě)緩沖的內(nèi)存地址，再對(duì)雙緩沖做一次數(shù)據(jù)緩沖翻轉(zhuǎn)，將原來(lái)的讀寫(xiě)緩沖互換。雙緩沖的翻轉(zhuǎn)，重點(diǎn)是對(duì) index 進(jìn)行反運(yùn)算，index =！index 。當(dāng) DMA 完成一次傳輸時(shí)，程序可以快速翻轉(zhuǎn)雙緩沖，將讀寫(xiě)緩沖地址交給 DMA 控制器進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)傳輸。如此可達(dá)到減少 DMA 控制器等待時(shí)間的目的，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

關(guān)于往 bulk 端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，本方案定義了一個(gè)前文所述的環(huán)形緩沖fifo_bulk_in和雙緩沖dbuf_bulk_in來(lái)緩存數(shù)據(jù)，程序通過(guò)調(diào)用usb_write（）函數(shù)完成。usb_ write（）主要負(fù)責(zé)將形參數(shù)據(jù)寫(xiě)入fifo_bulk_in，并檢測(cè)當(dāng)前 USB 框架是否正在傳輸數(shù)據(jù)，這個(gè)狀態(tài)由變量 is_ bulk_in_busy表示，如果還未啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，則取出環(huán)形緩沖fifo_bulk_in的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至dbuf_bulk_in，翻轉(zhuǎn)dbuf_bulk_in，并調(diào)用固件庫(kù)函數(shù)usbd_ep_send（）啟動(dòng)一次 DMA 傳輸。當(dāng)單片機(jī)完成一次傳輸，USB 框架會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)data_in（），此時(shí)根據(jù)data_in（）傳入的端點(diǎn)號(hào)，判斷端點(diǎn)號(hào)為 bulk 端點(diǎn)準(zhǔn)備 bulk 數(shù)據(jù)發(fā)送。檢測(cè)fifo_bulk_in是否有數(shù)據(jù)和上次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是否為空，函數(shù)根據(jù)以下幾種情況處理：

如果fifo_bulk_in有數(shù)據(jù)，則和上述usb_write（）檢測(cè)到未啟動(dòng)傳輸時(shí)一樣，取fifo_bulk_in數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至dbuf_bulk_in，翻轉(zhuǎn)dbuf_bulk_in，再次發(fā)起一次 DMA 傳輸。

如果fifo_bulk_in無(wú)數(shù)據(jù)，則發(fā)起一次0數(shù)據(jù)傳輸以表示當(dāng)前傳輸完成

當(dāng)fifo_bulk_in無(wú)數(shù)據(jù)，且上次是0數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，則將is_bulk_in_busy變量設(shè)置為 false，表示 USB 程序框架已停止 bulk 數(shù)據(jù)發(fā)送

bulk 端點(diǎn)數(shù)據(jù)接收也采用了一個(gè)環(huán)形緩沖和一個(gè)雙緩沖來(lái)緩存數(shù)據(jù)，分別用變量fifo_bulk_out和dbuf_ bulk_out表示。

當(dāng)程序調(diào)用usb_read（）時(shí)，先從fifo_bulk_out中取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到形參接收緩沖，接著檢查當(dāng)前 bulk 端點(diǎn)是否正在接收數(shù)據(jù)，該狀態(tài)用is_bulk_out_busy表示，當(dāng)is_bulk_out_busy值為 false 時(shí)調(diào)用固件庫(kù)函數(shù)usb_ep_recv（），發(fā)起 DMA 傳輸將數(shù)據(jù)存至dbuf_bulk_out，并將is_bulk_out_busy值設(shè)置為 true。

當(dāng) bulk 端點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，USB 程序框架調(diào)用data_out（），此時(shí)取出dbuf_bulk_out的接收緩沖指針和接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。先判斷fifo_bulk_out剩余空間是否大于 bulk 端點(diǎn)最大傳輸量，如果空間足夠則翻轉(zhuǎn)dbuf_ bulk_out并調(diào)用usb_ep_recv（）發(fā)起下一次 DMA 傳輸；否則設(shè)置is_bulk_out_busy值為 false，表示 bulk 端點(diǎn)接收空閑。最后通過(guò)之前暫存的dbuf_bulk_out接收緩沖指針和接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)將本次傳輸接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到fifo_bulk_out完成本次 bulk 端點(diǎn)數(shù)據(jù)接收處理。

當(dāng)主機(jī)向單片機(jī)請(qǐng)求類(lèi)的控制傳輸時(shí)，USB 程序框架將調(diào)用回調(diào)函數(shù)req_proc，請(qǐng)求的內(nèi)容從req_proc的參數(shù) req 獲得，req 的類(lèi)型usb_req定義如下：

程序接收到類(lèi)控制傳輸請(qǐng)求時(shí)，根據(jù) req->bm? RequestType判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸方向 s，如果是 IN 類(lèi)型的傳輸，則調(diào)用前文所述usb_set_class_callback（）設(shè)置的回調(diào)函數(shù)，傳遞 req 的其它參數(shù)，如果 req->wLength不為0，從回調(diào)函數(shù)讀取數(shù)據(jù)到全局變量ctlbuf準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)回傳給主機(jī)。將ctlbuf和 req->wLength傳遞給 USB 程序框架，USB 程序框架將發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài)給主機(jī)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，USB 程序框架調(diào)用前文所述 data_ in 通知程序，程序設(shè)置調(diào)用 API 通知 USB 程序框架無(wú)剩余數(shù)據(jù)，完成本次控制傳輸請(qǐng)求。

如果當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型是 OUT 傳輸時(shí)，則先判斷 req->wLength是否為0，如果 req->wLength為0時(shí)，直接調(diào)用前文所述usb_set_class_callback（）設(shè)置的回調(diào)函數(shù)即可。當(dāng) req->wLength不為0時(shí)，表示此次控制傳輸附帶數(shù)據(jù)，此時(shí)程序先用全局變量last_req暫存 req 值，然后調(diào)用 API 通知 USB 程序框架將把此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存到ctlbuf。當(dāng) USB 程序框架接收完此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將調(diào)用前文所述的data_out通知程序，這時(shí)程序?qū)鬟f上述last_req變量及ctlbuf通知前文所述usb_ set_class_callback（）設(shè)置的回調(diào)函數(shù)。

5數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序負(fù)責(zé)將所有串口的數(shù)據(jù)通過(guò) USB 端口轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)，同時(shí)通過(guò) USB 端口從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的串口。中間的數(shù)據(jù)傳輸采用特定的數(shù)據(jù)格式對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，標(biāo)記同步頭，串口編號(hào)，字節(jié)數(shù)。本方案采用的數(shù)據(jù)包格式如下：

其中 sync 為同步頭，固定為兩個(gè)’$’字符，用于解析時(shí)找到數(shù)據(jù)包的起始位置；chn為串口編號(hào)，對(duì)應(yīng)收發(fā)數(shù)據(jù)的串口；len為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，用于表示后面dat的實(shí)際大??；dat為實(shí)際收發(fā)的數(shù)據(jù)，此處定義的數(shù)組大小不作為實(shí)際數(shù)據(jù)大小。

本方案定義了函數(shù)mux_pack_data（）用于封裝串口數(shù)據(jù)，其聲明如下：

其中dst為數(shù)據(jù)緩沖地址，用于存放封裝好的數(shù)據(jù)包；chn為串口編號(hào)；dat為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；len為上述dat的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；返回封裝后的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序的串口接收部分主要操作為，逐一讀取各個(gè)串口的數(shù)據(jù)，調(diào)用mux_pack_data（）將數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)至臨時(shí)緩沖out_buf，最后調(diào)用前文所述 USB 收發(fā)程序的發(fā)送函數(shù)usb_write（）將out_buf的數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)。

串口發(fā)送部分操作為，調(diào)用usb_read（）函數(shù)從主機(jī)讀取數(shù)據(jù)并解析，根據(jù)解析的數(shù)據(jù)包調(diào)用uart_write（）往對(duì)應(yīng)的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。解析函數(shù)為mux_parse_data（），其聲明如下：

其中src和len為原始數(shù)據(jù)緩沖指針及數(shù)據(jù)大小； callback為回調(diào)函數(shù)；回調(diào)函數(shù)的參數(shù)chn表示串口編號(hào)，dat為數(shù)據(jù)緩沖指針，len為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。這里將從usb_read（）讀取到的數(shù)據(jù)傳入?yún)?shù)src和len，當(dāng)mux_parse_data（）解析到數(shù)據(jù)包，將通過(guò) callback 通知，此時(shí)程序?qū)⒄{(diào)用uart_write（）將數(shù)據(jù)發(fā)往指定串口。

6命令處理程序

命令處理程序主要負(fù)責(zé)響應(yīng)主機(jī)設(shè)置串口波特率，獲取串口寫(xiě)緩沖的請(qǐng)求。這些請(qǐng)求通過(guò) USB 控制傳輸?shù)念?lèi)請(qǐng)求來(lái)處理，程序通過(guò)上文所述usb_set_class_callback（）設(shè)置類(lèi)請(qǐng)求回調(diào)函數(shù)。類(lèi)請(qǐng)求回調(diào)函數(shù)聲明如下：

bRequest用于表示請(qǐng)求的命令，wIndex表示串口編號(hào)，wValue根據(jù)bRequest不同用于表示設(shè)置的值，dat和wLength用于當(dāng)前請(qǐng)求需要補(bǔ)充的數(shù)據(jù)。

用宏定義表示請(qǐng)求的命令，REQ_SET_BAUD，REQ_ALL_UART_WRITE_ROOM 分別表示設(shè)置串口波特率，請(qǐng)求所有串口的剩余寫(xiě)緩沖空間。

當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求設(shè)置串口波特率，handle_class_request將被調(diào)用，bRequest值為 REQ_SET_BAUD，wValue為波特率除以100的值（以9600為例，wValue值為96），wIndex表示串口編號(hào)，此時(shí)程序調(diào)用前文所述串口函數(shù)uart_ioctl（）設(shè)置編號(hào)為wIndex串口的波特率為wValue×100。

當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求所有串口寫(xiě)緩沖時(shí)，bRequest值為 REQ_ALL_UART_WRITE_ROOM，程序調(diào)用uart_ ioctl（）逐一獲取每個(gè)串口的剩余寫(xiě)緩沖空間，寫(xiě)至dat參數(shù)。傳遞至dat的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct _all_room{

uint8_t chn_num;

uint16_t room[5];

}all_room_t;

其中chn_num為串口數(shù)量，room 為各個(gè)串口的剩余寫(xiě)緩沖字節(jié)數(shù)，每個(gè)串口的剩余寫(xiě)緩沖字節(jié)數(shù)用2個(gè)字節(jié)的類(lèi)型 uint16_t 表示。

7傳輸驗(yàn)證

本方案 USB 數(shù)據(jù)傳輸采用libusb編寫(xiě)測(cè)試程序在 LINUX 系統(tǒng)下驗(yàn)證。libusb是一個(gè)在應(yīng)用層調(diào)用的跨平臺(tái) USB 庫(kù)，包含了 USB 傳輸所需要的 API。相比在編寫(xiě)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證本方案的數(shù)據(jù)傳輸，采用libusb更快捷，更方便調(diào)試。

本方案驗(yàn)證傳輸采用了libusb中比較方便調(diào)試的同步 I/O API，聲明如下：

int libusb_control_transfer（libusb_device_handle *dev_handle，

uint8_t request_type， uint8_t bRequest， uint16_t wValue， uint16_t wIndex，

unsigned char *data， uint16_t wLength， unsigned int timeout）;

int libusb_bulk_transfer（libusb_device_handle *dev_handle，

unsigned char endpoint， unsigned char *data， int length，

int *actual_length， unsigned int timeout）;

其中l(wèi)ibusb_control_transfer（）用于發(fā)起控制傳輸，參數(shù)dev_handle為 USB 設(shè)備句柄，data 為補(bǔ)充數(shù)據(jù)的指針，timeout 為超時(shí)毫秒數(shù)，其它參數(shù)對(duì)應(yīng)控制傳輸 USB 的標(biāo)準(zhǔn)定義。函數(shù)返回傳輸狀態(tài)，成功傳輸返回枚舉值LIBUSB? SUCCESS。

libusb_bulk_transfer（）用于發(fā)起 bulk 傳輸，dev_ handle 為 USB 設(shè)備句柄，endpoint 為 bulk 端點(diǎn)編號(hào)，data 為接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖指針，length 為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，actual_length為實(shí)際傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，timeout 為超時(shí)毫秒數(shù)。

7.1本方案主機(jī)接收據(jù)傳輸驗(yàn)證，主要流程如下：

1）調(diào)用libusb_open_device_with_vid_pid（），根據(jù)設(shè)備 vid，pid打開(kāi) USB 設(shè)備 s

2）通過(guò)libusb_control_transfer（）設(shè)置各個(gè)串口的波特率

3）通過(guò)電腦串口上發(fā)送測(cè)試文件到單片機(jī)的串口

4）電腦測(cè)試程序通過(guò)libusb_bulk_transfer（）從單

片機(jī) USB 口讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)程序定義的協(xié)議解析

數(shù)據(jù)包，根據(jù)串口號(hào)不同將數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到不同的文件5）對(duì)比發(fā)送和接收到的文件

7.2主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證，流程如下：

1）在電腦測(cè)試程序通過(guò)libusb_control_transfer（）設(shè)置各個(gè)串口的波特率

2）電腦測(cè)試程序加載測(cè)試文件，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)程序定義的協(xié)議將文件數(shù)據(jù)按各個(gè)串口封裝數(shù)據(jù)包，通過(guò)libusb_bulk_transfer（）往單片機(jī) USB 口發(fā)送數(shù)據(jù)

3）通過(guò)電腦串口從單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并根據(jù)不同串口保存到不同文件

4）對(duì)比發(fā)送和接收到的文件

由于 USB 傳輸速度遠(yuǎn)高于本方案串口，為避免緩沖溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要根據(jù)串口最大發(fā)送緩沖大小和設(shè)計(jì)的最高波特率定時(shí)通過(guò)libusb_ control_transfer（）獲取各個(gè)串口的剩余發(fā)送緩沖空間，測(cè)試程序根據(jù)單片機(jī)串口剩余發(fā)送緩沖空間確定當(dāng)時(shí)能發(fā)送的字節(jié)數(shù)。本方案設(shè)計(jì)單片機(jī)串口最大發(fā)送緩沖大小為1024個(gè)字節(jié)，最高波特率為115200，根據(jù)最高波特率串口最高發(fā)送速度為 115 200/10等于 11 520 字節(jié) /s，根據(jù)以上參數(shù)可知最大緩沖填滿(mǎn)時(shí)間為 1 024/11 520 ≈ 88 ms，因此本方案輪詢(xún)單片機(jī)串口剩余發(fā)送緩沖時(shí)間間隔為 80 ms即可。

測(cè)試程序運(yùn)行命令如下 ：

./mux-test -b 115200 -f ./origin.txt -s /dev/ttyUSB0-4

mux-test 為測(cè)試程序，-b 選項(xiàng)為波特率，這里設(shè)置為 115200；-f 選項(xiàng)為測(cè)試數(shù)據(jù)文件名，這里為origin.txt，origin.txt 為 64kB 的文本文件；-s 為電腦的串口tty設(shè)備名，這里 /dev/ttyUSB0 － 4 表示加載 /dev/ttyUSB0、/dev/ttyUSB1、…… /dev/ttyUSB4。

程序運(yùn)行后，將從電腦串口讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 ./tty目錄下，文件根據(jù)串口編號(hào)命名，為 0.txt、1.txt、…… 4.txt；從 USB 讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 ./usb目錄下，文件根據(jù)單片機(jī)串口編號(hào)命名，為 0.txt、1.txt、…… 4.txt。當(dāng)程序運(yùn)行完，運(yùn)行以下命令比較文件：

for i in $（seq 0 4）; do diff -s ./origin.txt ./tty/$i.txt ; done; ＼

for i in $（seq 0 4）; do diff -s ./origin.txt ./usb/$i.txt ; done

以下是運(yùn)行結(jié)果 ：

Files ./origin.txt and ./tty/0.txt are identical

Files ./origin.txt and ./tty/1.txt are identical

Files ./origin.txt and ./tty/2.txt are identical

Files ./origin.txt and ./tty/3.txt are identical

Files ./origin.txt and ./tty/4.txt are identical

Files ./origin.txt and ./usb/0.txt are identical

Files ./origin.txt and ./usb/1.txt are identical

Files ./origin.txt and ./usb/2.txt are identical

Files ./origin.txt and ./usb/3.txt are identical

Files ./origin.txt and ./usb/4.txt are identical

根據(jù)結(jié)果可以判斷出收發(fā)的數(shù)據(jù)完全一致。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了船舶導(dǎo)航儀對(duì)多串口的需求，并提出 USB 擴(kuò)展多串口的方案，分析該方案的可行性及便利性，并提出兆易創(chuàng)新的 GD32F305 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一方案。接著以 RK3128 主板為例介紹該擴(kuò)展方案的硬件連接，然后探討了單片機(jī)程序的具體實(shí)現(xiàn)，最后介紹用libusb進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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[2] GD32F30x_User_Manual_Rev2.8.pdf[G].

[3] USBFS/HS Firmware Library User Guide Revision 1.0[G].

[4] Firmware Library User Guide Revison 1.0[G].

[5] USB in a Nutshell[G].