潘錦明

摘? ?要：基于LPC1788微處理器（MCU）平臺設計的帶USB通信功能的設備，采用特殊的主機通信及設備端通信連接處理措施和方法，對連接故障進行有效的處理。文章從上層軟件/動態(tài)庫及設備端微處理器對USB連接異常采取了一些方法進行容錯來加強連接穩(wěn)定性。實際項目中解決了在輕軌交通控制領域應用的USB通信接中斷等問題;有效克服了現(xiàn)場環(huán)境干擾對USB通信的影響，提高了設備通信的穩(wěn)定性。

關鍵詞：USB通信;LPC1788;穩(wěn)定性;增強方法

1? ? USB設備發(fā)展背景

目前，USB設備廣泛應用于各種終端設備，工業(yè)控制領域及自助設備對穩(wěn)定性要求較高，USB設備由于電磁干擾、設備震動使線纜暫時松脫等原因，使得設備斷開連接后，將無法和主機進行通信，尤其在一些現(xiàn)場維護環(huán)境不佳的情況下，維護人員未能及時處理故障導致故障時間較長，從而影響設備使用。本文基于LPC1788的微處理器平臺，介紹一種方法，從上層軟件/動態(tài)庫及設備端微處理器對USB連接異常采取了一些方法進行容錯來加強連接穩(wěn)定性。

2? ? LPC1788芯片介紹及應用特點

LPC1788是恩智浦半導體公司推出的基于ARM Cortex-M3的微處理器（MCU），具有3級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令總線與數(shù)據(jù)總線，以及用于外設的性能略低的第3條總線。在最差的商用條件下的操作頻率可以高達120 MHz，包括高達512 KB的Flash存儲器及96 KB數(shù)據(jù)存儲器。含有多個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）等豐富的外圍設備通信接口。用于處理要求高集成度和低功耗的嵌入式應用，廣泛應用于通信、醫(yī)療、工業(yè)、消費電子及汽車等領域[1]。

3? ? USB連接穩(wěn)定性增強方法

USB通信在輕軌交通控制的實際應用中，由于現(xiàn)場環(huán)境復雜，針對出現(xiàn)的一些故障，需要現(xiàn)場維護人員進行診斷。根據(jù)現(xiàn)場存在的問題，對USB連接通信穩(wěn)定性進行加強，本文重點介紹以下兩種容錯增強方法，組合起來可提高通信穩(wěn)定性。

3.1? 主機通信增強方法

在PC機端，目前，在主流的USB驅(qū)動開發(fā)工具實現(xiàn)的通信機制中，當USB通信出現(xiàn)失敗的時候不會對總線設備進行重新配置，一旦總線出現(xiàn)斷鏈，通信即使進行重試也不會恢復。因此，現(xiàn)從主機端實行通信的容錯及恢復措施。將主機通信不成功或者響應超時的設備重新打開并配置后再重新聯(lián)通主機上層軟件，在和USB設備進行通信時，若發(fā)現(xiàn)因為USB設備狀態(tài)斷開導致無法通信，可通過系統(tǒng)應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)禁用該USB設備，重新根據(jù)該設備比例—積分—微分（Proportion-Integral-Differential，PID）及供應商ID號（Vendor ID，VID）進行重新搜索，若設備重新復位連接并成功枚舉配置完成，則重新啟用設備。若上述操作能夠恢復USB連接，則對USB設備恢復之前的通信操作，避免因無法通信導致操作失敗及設備停機[2]。工作流程如圖1所示。

3.2? 設備端通信增強方法

LPC1788微處理器的固件程序使用USB從機設備的協(xié)議棧，該協(xié)議棧使用標準的USB2.0協(xié)議規(guī)范，響應從PC端主機的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入及輸出通信操作。為增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并USB數(shù)據(jù)幀采用控制模式進行傳輸。LPC1788的內(nèi)部USB架構及USB設備電路原理如圖2所示。

若因為現(xiàn)場環(huán)境使得USB D+/D-電氣信號發(fā)生異常，導致USB總線掛起，利用LPC1788的USB總線檢測機制及硬件架構，通過固件程序進行硬件總線異常判斷并重新連接?；贚PC1788內(nèi)部的USB goodlink檢測技術，在設備處于枚舉成功狀態(tài)后，通過讀取USB_UP_LED信號，判斷出硬件處于被掛起狀態(tài)，此時則在LPC1788內(nèi)部的程序上對USB進行重新連接并初始化USB設備，使得USB總線重新連接到主機，并進行枚舉配置，枚舉恢復后對通信數(shù)據(jù)進行恢復。其中，USB_CONNECT為軟連接信號，用于控制USB總線D+信號電平狀態(tài)，控制USB_CONNECT從斷開到連接狀態(tài)，實現(xiàn)USB總線的熱復位操作，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）平臺及其USB外圍電路，將USB線纜連接到設備USB typeB接口上，另一端接在PC機USB接口上，實現(xiàn)主機通信及設備端通信連接。USB 驅(qū)動程序采用分層總線結構，主機和設備利用微處理器平臺上的USB控制器實現(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上，用戶代碼對設備端USB外設初始化、配置控制、通信過程、數(shù)據(jù)交互及命令執(zhí)行等流程進行開發(fā)，實現(xiàn)和主機通信及執(zhí)行主機下發(fā)的命令并完成相應命令的設備功能操作。固件在后臺程序上對USB連接實時狀態(tài)進行輪詢處理，其中，對USB連接配置及檢測斷鏈后容錯步驟的框架代碼程序如下：PC端的USB驅(qū)動程序是基于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，便于程序員進行系統(tǒng)開發(fā)和應用程序編程。USB驅(qū)動注冊/注銷調(diào)用USB_driver結構體指針數(shù)據(jù)，可以直接集成在內(nèi)核系統(tǒng)中，并進行USB驅(qū)動程序的運行和終止[4]。USB_driver結構體內(nèi)函數(shù)豐富，USB驅(qū)動注冊代碼程序如下：

3.4? 實驗及結果分析

在實驗室驗證過程中，通過使用靜電干擾方法對USB的通信D-/D+進行空氣放電干擾，在8 kV及―4 kV靜電的重復干擾下，偶爾會出現(xiàn)USB通信斷鏈情況，且后續(xù)繼續(xù)進行通信也不能恢復。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)中恢復過來并繼續(xù)通信，從而驗證了措施的有效性。

4? ? 結語

基于LPC1788微處理器強大的硬件功能，通過固件代碼對硬件的控制流程進行修改及優(yōu)化，能夠根據(jù)具體問題進行有針對性的改善。經(jīng)過現(xiàn)有項目輕軌站臺設備的現(xiàn)場驗證對比，采用上述用上層軟件/動態(tài)庫及設備固件兩種增強方法組合后的設備，原有的USB通信連接不上的問題得到徹底改善，且不需要人手對線纜進行插拔恢復，有效避免了現(xiàn)場環(huán)境干擾對USB通信質(zhì)量的影響，提高了設備通信的穩(wěn)定性，減少了設備整機的維護頻率。