基于STM32的USBTMC協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)

陳一鳴 高 云 鄧 攀 尚 倫 陳雪艷

(武漢(鋼鐵)集團(tuán)公司研究院 湖北 武漢：430080)

0 引言

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是一種新型通信接口技術(shù)，最早是由Compaq、Intel、Microsoft等多家公司于1994年11月共同提出的，具有高傳輸速率、即插即用和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。USB從最初的0.7版，發(fā)展到目前普遍使用的2.0版，以及最新的3.1版，其傳輸速率最高能達(dá)到10Gbps，越來越多的測試測量設(shè)備具有USB通信接口。

為簡化USB設(shè)備的開發(fā)過程，USB-IF(USB Implementers Forum)對一些具有相似特點(diǎn)并提供相似功能的USB設(shè)備進(jìn)行抽象，定義它們所特有的屬性和使用方法，這些被稱為設(shè)備類。對于測試測量設(shè)備USB-IF在USB 2.0協(xié)議的基礎(chǔ)上定義了USBTMC協(xié)議(Universal Serial Bus Test and Measurement Class Specification)，方便用戶開發(fā)和使用測試測量設(shè)備的USB通信接口。

STM32是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的新型32位微控制器系列，芯片內(nèi)部集成了全速USB 2.0外設(shè)接口和A/D轉(zhuǎn)換器，適用于開發(fā)具有USB通信接口的測試測量設(shè)備[1]。本文解析了USBTMC協(xié)議，研究了其基于STM32的實(shí)現(xiàn)，并詳述了測試過程。

1 USBTMC協(xié)議解析

USBTMC協(xié)議是USB-IF針對測試測量設(shè)備提出的一個符合USB 2.0協(xié)議的子類協(xié)議。2001年6月USB-IF發(fā)布了USBTMC協(xié)議的第一個版本USBTMC 0.7版，目前應(yīng)用廣泛的是2003年4月發(fā)布的USBTMC 1.0版。USBTMC協(xié)議為USB通信接口技術(shù)在測試測量設(shè)備中的應(yīng)用建立了一個統(tǒng)一且唯一的標(biāo)準(zhǔn)，符合USBTCM協(xié)議的測試測量設(shè)備，可以通過VISA(Virtual Instrument Software Architecture)直接控制，與其通信的USB主機(jī)可以保持現(xiàn)有的VISA驅(qū)動和應(yīng)用程序不變[2]。

1.1 USBTMC協(xié)議通信模型

USBTMC協(xié)議通信模型如圖1所示，USB設(shè)備固件程序必須支持圖1所示的端點(diǎn)類型，Control端點(diǎn)、Bulk-OUT端點(diǎn)、Bulk-IN端點(diǎn)是必需的，Interrupt-IN端點(diǎn)根據(jù)設(shè)備要求可選[3]。

圖1 USBTMC協(xié)議通信模型

1.2 USBTMC協(xié)議接口端點(diǎn)特性

1.2.1 Control端點(diǎn)

Control端點(diǎn)是所有USB設(shè)備必須具備的默認(rèn)端點(diǎn)，在USBTMC協(xié)議中對Control端點(diǎn)沒有附加規(guī)定，只要求其符合USB 2.0協(xié)議。Control端點(diǎn)用于主機(jī)對設(shè)備發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)、類定義和用戶定義的請求，默認(rèn)Control端點(diǎn)的端點(diǎn)號必須是0。

1.2.2 Bulk-OUT端點(diǎn)和Bulk-IN端點(diǎn)

Bulk-OUT端點(diǎn)用于主機(jī)對設(shè)備發(fā)送USBTMC命令消息。對于所有的Bulk-OUT USBTMC命令消息，在其傳輸過程中必須以Bulk-OUT Header開頭，Bulk-OUT Header中包含了該命令消息的相關(guān)信息。

Bulk-IN端點(diǎn)用于主機(jī)讀取設(shè)備的USBTMC響應(yīng)消息。對于所有的Bulk-IN USBTMC響應(yīng)消息，在其傳輸過程中必須以Bulk-IN Header開頭，Bulk-IN Header中包含了該響應(yīng)消息的相關(guān)信息。

Bulk-OUT傳輸和Bulk-IN傳輸是USBTMC協(xié)議的核心，協(xié)議中對上述內(nèi)容做了詳細(xì)的規(guī)定，具體內(nèi)容參考USBTMC協(xié)議1.0版。

2 USBTMC協(xié)議在STM32中的實(shí)現(xiàn)

本文中微控制器采用STM32F103RBT6，STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫采用STM32F10x Standard Peripherals Library3.5.0版，USBTMC協(xié)議采用USBTMC1.0版，開發(fā)平臺采用IAR Embedded Workbench for ARM5.41。

2.1 STM32 USB外設(shè)接口介紹

STM32系列中的增強(qiáng)型STM32F103XX擁有一個USB全速設(shè)備接口外設(shè)，符合USB 2.0全速設(shè)備的技術(shù)協(xié)議。意法半導(dǎo)體公司為STM32系列微控制器提供了USB驅(qū)動程序固件，大大簡化了USB外設(shè)接口的應(yīng)用開發(fā)。

USB驅(qū)動程序固件由內(nèi)核層和應(yīng)用接口層組成，內(nèi)核層負(fù)責(zé)管理使用USB外設(shè)接口與USB協(xié)議間的直接通信，其嚴(yán)格遵守USB 2.0協(xié)議，并且獨(dú)立于STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫，接口層為用戶提供了內(nèi)核層和最終用戶應(yīng)用間的完整接口[4]。

2.2 USBTMC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)流程

USBTMC協(xié)議是基于USB 2.0協(xié)議的，所以實(shí)現(xiàn)USBTMC協(xié)議首先要實(shí)現(xiàn)USB 2.0協(xié)議，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)USBTMC協(xié)議。實(shí)現(xiàn)USB 2.0協(xié)議包括標(biāo)準(zhǔn)描述符的配置和標(biāo)準(zhǔn)請求的響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)USBTMC協(xié)議包括類定義請求的響應(yīng)和消息傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2USBTMC協(xié)議實(shí)現(xiàn)流程

2.3 配置描述符

USB 2.0協(xié)議采用設(shè)備構(gòu)架的概念來描述一個USB設(shè)備，它把USB設(shè)備看成是一個配置、接口和端點(diǎn)的集合，并采用標(biāo)準(zhǔn)的USB描述符來說明它們，其中包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符和字符串描述符。對于高速設(shè)備，還可包含設(shè)備限定描述符和其速率配置描述符。描述符反映了USB設(shè)備的各類屬性，有固定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個描述符的開頭是本描述符的長度，緊跟其后的是描述符的類型信息。在USB設(shè)備枚舉過程中，USB主機(jī)首先會發(fā)出一系列標(biāo)準(zhǔn)請求來讀取USB設(shè)備的各類描述符，進(jìn)而確定該USB設(shè)備的屬性。

USBTMC協(xié)議中對測試測量設(shè)備的描述符進(jìn)行了規(guī)定，設(shè)備描述符的iSerialNumber必須是非零值，USB主機(jī)將16位idVendor值、16位idProduct值和iSerialNumber所指引的字符串值組合成一個標(biāo)識，作為該USB設(shè)備全球唯一的身份標(biāo)識。

接口描述符中USBTMC協(xié)議規(guī)定bInterfaceClass設(shè)置為0xFE，bInterfaceSubClass設(shè)置為0x03，bInterfaceProtocol可以設(shè)置為0x00或0x01。bInterfaceProtocol設(shè)置為0x00代表接口符合USBTMC協(xié)議，設(shè)置為0x01代表接口符合USBTMC USB488協(xié)議，本文中設(shè)置為0x00。

其它描述符的設(shè)置USBTMC協(xié)議中沒有特別規(guī)定，遵守USB 2.0協(xié)議，其中端點(diǎn)描述符必須包含圖1 USBTMC協(xié)議通信模型中規(guī)定的端點(diǎn)類型。

通過上述描述符配置后，當(dāng)USB設(shè)備與USB主機(jī)連接上時，如果USB主機(jī)已經(jīng)裝好VISA驅(qū)動，USB主機(jī)會將USB設(shè)備識別為USBTMC設(shè)備，并自動加載VISA驅(qū)動[5]。

2.4 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)請求和類定義請求

2.4.1 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)請求

標(biāo)準(zhǔn)請求是USB 2.0協(xié)議中定義的USB設(shè)備請求，其主要功能是完成USB設(shè)備的配置操作，例如讀取USB設(shè)備的描述符。STM32 USB驅(qū)動程序固件實(shí)現(xiàn)了USB 2.0協(xié)議規(guī)定的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)請求，開發(fā)人員只需添加USBTMC協(xié)議中額外規(guī)定即可。USBTMC協(xié)議中只對標(biāo)準(zhǔn)請求CLEAR_FEATURE做出了額外規(guī)定，request wValue = ENDPOINT_HALT，其實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)請求CLEAR_FEATURE實(shí)現(xiàn)流程

2.4.2 實(shí)現(xiàn)類定義請求

除了標(biāo)準(zhǔn)請求外，USBTMC協(xié)議還定義了8個類定義請求，用以實(shí)現(xiàn)測試測量設(shè)備特定的功能。類定義請求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)請求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一樣，其中bmRequestType中的類型標(biāo)識位置為1，代表該請求是類定義請求。

在USB設(shè)備枚舉過程，當(dāng)USB主機(jī)將USB設(shè)備識別為測試測量設(shè)備后，USB主機(jī)會發(fā)送類定義請求GET_CAPABILITIES，獲取測試測量設(shè)備的屬性，其它類定義請求會在枚舉過程結(jié)束后根據(jù)實(shí)際需要發(fā)送，其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 類定義請求實(shí)現(xiàn)流程

2.5 實(shí)現(xiàn)消息通信

消息通信是USBTMC協(xié)議的核心，測試測量設(shè)備的功能通過消息通信來實(shí)現(xiàn)。消息分為命令消息和響應(yīng)消息兩大類，USBTMC協(xié)議規(guī)定每一條消息有一個12位的消息包頭和多個消息數(shù)據(jù)字節(jié)組成，其中消息包頭包含了該消息的屬性信息，消息數(shù)據(jù)是消息的具體內(nèi)容。USBTMC協(xié)議規(guī)定在發(fā)送消息時首先發(fā)送消息包頭，緊接著發(fā)送消息數(shù)據(jù)。USB主機(jī)通過Bulk-OUT端點(diǎn)向測試測量設(shè)備發(fā)送命令消息，通過Bulk-IN端點(diǎn)接收測試測量設(shè)備發(fā)送的響應(yīng)消息，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 消息通信實(shí)現(xiàn)流程

3 USBTMC類USB設(shè)備的測試及應(yīng)用

測試及應(yīng)用USBTMC類USB設(shè)備，需要一臺安裝有VISA驅(qū)動和應(yīng)用軟件的USB主機(jī)，本文中用一臺安裝有VISA驅(qū)動和labVIEW軟件的計算機(jī)作為USB主機(jī)。

3.1 USB設(shè)備的測試

labVIEW軟件自帶的MAX(Measurement & Automation Explorer)工具可以非常方便的測試USB設(shè)備。labVIEW軟件中將USB設(shè)備分為兩類：RAW類和INSTR類，其中INSTR類代表符合USBTMC協(xié)議的USB設(shè)備，RAW類代表不符合USBTMC協(xié)議的USB設(shè)備。

將上文中實(shí)現(xiàn)USBTMC協(xié)議的 USB設(shè)備插入USB主機(jī)，打開MAX工具，MAX工具將自動識別USB設(shè)備如圖6所示。MAX工具會顯示出USB設(shè)備的設(shè)備信息，這些信息都是在配置描述符時設(shè)置的。圖中該USB設(shè)備顯示為USB0::0x0483::0x5710::8D85516F5050::INSTR，0x0483代表USB設(shè)備的制造商ID，0x5710代表型號代碼，8D85516F5050代表序列號，INSTR代表該USB設(shè)備屬于INSTR類，即USBTMC類USB設(shè)備。

圖6 在MAX中顯示的USB設(shè)備

打開MAX工具的測試面板如圖7所示，測試面板中有四個選項(xiàng)卡：viSetAttribute,viWrite,viRead和viClear，可分別測試USB設(shè)備的屬性設(shè)置、寫操作、讀操作和清除操作等功能，通過這些功能測試即可說明該USB設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)了USBTMC協(xié)議。

圖7 測試面板

3.2 USB設(shè)備的應(yīng)用

labVIEW軟件中對USBTMC類USB設(shè)備操作非常方便，采用與操作串口設(shè)備相同的方式進(jìn)行，即可以使用VISA打開、VISA關(guān)閉、VISA讀取和VISA寫函數(shù)操作USBTMC類USB設(shè)備。如圖8所示是一個操作USBTMC類USB設(shè)備采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，圖中顯示其程序結(jié)構(gòu)和操作串口設(shè)備相同，但實(shí)際的設(shè)備連接是通過USB接口，數(shù)據(jù)采集速度大大提高。

圖8 采集數(shù)據(jù)應(yīng)用程序

4 結(jié)束語

USB設(shè)備開發(fā)的難點(diǎn)在于驅(qū)動的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了USBTMC協(xié)議的設(shè)備可以使用同一個驅(qū)動(如本文中的VISA驅(qū)動)，這極大的縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了人力成本。目前國外一些公司的測試測量設(shè)備已經(jīng)大多支持USBTMC協(xié)議，而國內(nèi)公司對協(xié)議支持較少，研究和實(shí)現(xiàn)USBTMC協(xié)議有重要意義。

[1] 王永虹，徐煒，等．ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008．

[2] 姜成航．基于USBTMC協(xié)議的USB接口虛擬儀器的研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2005：3-8．

[3] USB Implementers Forum, Inc. Universal Serial Bus Test and Measurement Class Specification [R]. Revision 1.0, April 14, 2003．

[4] 王鐵流，李宗方，陳東升等．基于STM32的USB數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]．測控技術(shù)，2009，28(8)：38．

[5] 宮會杰．基于Wince6.0 USBTMC協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．科技視界，2013，(8)：40．