CN104991870A - 基于hid的免驱动光通信仪器接口访问方法 - Google Patents

基于hid的免驱动光通信仪器接口访问方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其包括以下步骤：在光通信仪器上设置与其微控制器连接的USB接口，并在微控制器的程序代码区域中针对该光通信仪器定义USB标准描述符和HID报告描述符；将光通信仪器通过USB接口连接至主机终端上，待主机终端检测；检测到有光通信仪器插入的主机终端通过USB接口向光通信仪器的微控制器发送设备类型查询指令，所述光通信仪器接收所述指令并向主机终端发送所述USB标准描述符和HID报告描述符；主机终端基于读取到的USB标准描述符和HID报告描述符将光通信仪器识别为HID人机接口设备，并通过USB接口建立起与光通信仪器的数据通讯通道。本发明所述方法免去了光通信仪器的驱动程序安装，大大改善了系统兼容性。

Description

基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法
技术领域
本发明涉及光通信仪器的接口访问技术。更具体地说，本发明涉及一种基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法。
背景技术
USB，是英文Universal Serial Bus(通用串行总线)的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，应用在PC领域的接口技术。HID是Human Interface Device的缩写，由其名称可以了解HID设备是直接与人交互的设备。HID交换的数据存储在称为报表(report)的结构内，设备的固件必须支持HID报表的格式。主机在控制与中断传输中传送与要求报表，来传送与接收数据。报表的格式非常有弹性，可以处理任何类别的数据。
USB有四种传输方式，分别是：控制传输，中断传输，同步传输和块传输。其中，控制传输常见于USB设备被PC识别的过程。中断传输一般用于具有固定速率、数据量少的数据传输，例如USB鼠标、键盘。同步传输也叫做等时传输，保证数据传输的实时性，所以这种传输方式一般用于音频和视频流的数据传输，例如USB摄像头。块传输也叫做批量传输，块传输并不追求数据传输的时间，但是必须保证数据传输的正确性，例如U盘。
USB自从1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为二十一世纪二十年代个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。光通信厂商，因自动化的需求，逐渐尝试在各自制设备上加入通讯接口，经历了十余年的发展，USB接口已经成为光通信厂商的主要接口方式。
光模块厂商，为了实现生产自动化，各自独立开发了相应的光学测试设备。传统的光学测试设备多采用DB9或DB25接口通讯，例如行业内最常见的武汉光迅的光功率计PMSII-X，该光功率计即是采用DB9串口通讯。然而使用DB9或DB25接口通讯，最主要的缺陷是：随着时代进步，主流PC厂商已经取消了DB9(串口)和DB25(并口)硬件接口，这限制了DB9或DB25接口的后续发展。
在DB9到USB的过渡过程中，许多光模块厂商采用了集成的RS232转USB芯片，典型型号有Silab公司的CP2101。该芯片采用USB协议中的CDC协议，使PC将USB设备识别为DB9串口。该方案实际上是并没有改变DB9串口通讯的本质，其缺点依旧明显：
1、CDC类协议需要编写PC驱动程序，设备安装环节相当繁琐；
2、DB9通讯速率较低，远远慢于USB通讯速率；
3、可靠性须由软件保证，软件开发周期较长；
4、对于芯片的初始化配置需要单独的软件，配置操作较复杂；
然后还有部分光模块厂商，对USB接口进行了尝试设计，采用Silab公司提供的USBXpress套件，基于C8051F32x系列MCU进行固件开发。USBXpress开发套件提供了一个完整的主机和设备软件的解决方案，该套件为USB设备开发解决了很多技术瓶颈，例如USB底层协议，PC端windows软件。但是，其缺点也非常明显：
1、套件由第三方公司提供，难以更改底层代码，难以实现功能的增减
2、使用该套件的USB设备，需要独立安装驱动，其驱动程序对于系统兼容性差。
3、由于VID和PID的限制，容易造成多个同类型设备在一台PC上连接时，通讯冲突。
在前期的尝试中，光模块厂商始终无法突破USB设备免驱动这一瓶颈。而驱动安装，必然会因操作系统、电脑病毒、盗版软件的影响，造成不同程度的安装失败。因此免驱动的USB接口技术，成了光模块厂商开发光学测试设备的重要瓶颈。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其能够使得主机终端将光通信仪器识别为人机接口设备(即HID设备)，而主机终端的操作系统为HID类设备提供了通用的驱动程序，因此省去了复杂的驱动程序编写过程，即使得光通信仪器连接到主机终端时无需再安装驱动，有良好的系统兼容性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了以下技术方案：
一种基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其包括以下步骤：
在光通信仪器上设置与其微控制器连接的USB接口，并在微控制器的程序代码区域中针对该光通信仪器定义USB标准描述符和HID报告描述符；
将光通信仪器通过USB接口连接至主机终端上，待主机终端检测；
检测到有光通信仪器插入的主机终端通过USB接口向光通信仪器的微控制器发送设备类型查询指令，所述光通信仪器接收所述指令并向主机终端发送所述USB标准描述符和HID报告描述符；
主机终端基于读取到的USB标准描述符和HID报告描述符将光通信仪器识别为HID人机接口设备，并通过USB接口建立起与所述光通信仪器的数据通讯通道。
优选的是，所述主机终端在建立起与所述光通信仪器的数据通讯通道后，按照“主机终端发送指令、光通信仪器微控制器接收处理指令并返回处理结果、主机终端接收结果”的方式进行数据传输。
优选的是，所述数据传输采用每个数据包64字节数据的方式进行，当传输的数据不足64字节数据时，不足的部分用0x00填充；当传输的数据超过64字节时，将数据分多次写入到光通信仪器微控制器的缓冲区。
优选的是，所述数据包的命令格式采用：
2字节数据的起始标识+1字节数据的命令标识+1字节数据的错误状态+1字节数据的有效数据长度+1字节数据的校验字节+2字节数据的结束标识+有效数据；其中，所述校准字节用于对所述有效数据进行求和校验。
优选的是，所述USB标准描述符至少包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。
优选的是，所述USB标准描述符还包括字符串描述符。
本发明所述方法至少包括以下有益效果：
本发明在以往光学仪器接口技术基础上，基于“用户自定义HID设备”协议，实现了免安装驱动的USB接口技术，该技术有如下优点：
其一、取代了原始的DB9或DB25接口，符合当前时代的接口要求；
其二、免除USB驱动程序的安装过程，有良好的系统兼容性；
其三、自定义了稳定可靠的通讯接口，保证了数据通讯的正确性；
总的说来，本发明基于HID设备，采用免驱动安装的方式，自定义一套完整的通讯协议，实现光通信设备与PC间的数据传输，具体体现在：
①采用HID设备协议，无需安装驱动，大大改善了系统兼容性；②自定义通讯接口，采用起始识别、校验字节等方式，保证通讯可靠性；③采用固定包长、超时判断、主机控制的方式保证通讯异常时快速识别；④采用固件命令集成，来压缩通讯数据量，减少通讯数据数量。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供了一种基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其包括以下步骤：
在光通信仪器上设置与其微控制器连接的USB接口，并在微控制器的程序代码区域中针对该光通信仪器定义USB标准描述符和HID报告描述符；
将光通信仪器通过USB接口连接至主机终端上，待主机终端检测；
检测到有光通信仪器插入的主机终端通过USB接口向光通信仪器的微控制器发送设备类型查询指令，所述光通信仪器接收所述指令并向主机终端发送所述USB标准描述符和HID报告描述符；
主机终端基于读取到的USB标准描述符和HID报告描述符将光通信仪器识别为HID人机接口设备，并通过USB接口建立起与所述光通信仪器的数据通讯通道。
本发明上述方案中，使用了USB中断传输方式中的“用户自定义HID设备”，让光通信仪器被操作系统识别为同鼠标键盘一类的“人体输入学设备”(也可称为HID人机接口设备)。任何当前的PC操作系统，均对该类型设备免除驱动安装。基于HID人机接口设备的条件下，本发明还定义了稳定可靠的数据传输方式和光学仪器接口，以此保证数据通讯的可靠性，实现光学仪器USB接口的完整功能。
其中，所述USB标准描述符至少包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。优选的是，所述USB标准描述符还包括字符串描述符。所谓描述符，就是用于描述设备特性的具有特定格式排列的一种数据组织结构。描述符的作用在于设备向主机汇报自己的信息、特征，主机根据这些信息从而加载相应的驱动程序。
本发明上述所说的让光通信仪器被主机终端操作系统识别为人体输入学设备的核心在于：使用USB协议中的“设备描述符”和“HID报告描述符”来实现USB设备的识别。具体而言：
如表1、表2所示，其中，
表1为本发明所述USB标准描述符中的设备描述符报表，
表2为本发明所述的HID报告描述符报表：
表1
字段 值 字段 值
bLength 0x12 bDescriptorType 0x01
bcdUSB 0x1001 bDeviceClass 0x00
bDeviceSubClass 0x00 bDeviceProtocol 0x00
bMaxPacketSize0 0x40 idVendor xxxx
idProduct xxxx bcdDevice 0x0101
iManufacturer 0x01 iProduct 0x02
iSerialNumber 0x03 bNumConfigurations 0x01
该表1中，idVendor和idProduct代表厂商信息和产品信息，其余字段均按照USB协议定义。
表2
字段 值 字段 值
UsagePage 0x0501 Usage 0x0900
Collection 0xA101 Logical_min 0x1500
Logical_max 0x25FF Usage_min 0x1901
Usage_max 0x2908 Report_count 0x9540
Report_size 0x7508 Input 0x8102
Usage_min 0x1901 Usage_max 0x2908
Output 0x9102 End_collection 0xC0
本发明基于上述两个报表内容在光通信仪器的微控制器程序代码区域定义了上述设备描述符和报告描述符，使得该光通信仪器USB设备将被主机识别为“用户自定义HID设备”，实现了免驱动的目标。基于此，只需要定义我们所需的通讯接口，即可实现数据通讯。
上述方案中，所述主机终端在建立起与所述光通信仪器的数据通讯通道后，按照“主机终端发送指令、光通信仪器微控制器接收处理指令并返回处理结果、主机终端接收结果”的方式进行数据传输。
其中，所述数据传输采用每个数据包64字节数据的方式进行，当传输的数据不足64字节数据时，不足的部分用0x00填充；当传输的数据超过64字节时，将数据分多次写入到光通信仪器微控制器的缓冲区。
在进一步的实施方案中，本发明还定义了数据包的命令格式，所述数据包的命令格式采用：2字节数据的起始标识+1字节数据的命令标识+1字节数据的错误状态+1字节数据的有效数据长度+1字节数据的校验字节+2字节数据的结束标识+有效数据；其中，所述校准字节用于对所述有效数据进行求和校验。
综上，本发明所述光通信仪器上的USB通讯接口基本规格定义如下：
1、采用每个数据包64字节的方式传输数据：当所需数据不足64字节时，其余字节用0x00填充；当所需数据超过64字节时，分多次(每次写入数据不超过64字节)将数据写入到USB设备缓冲区；
2、每个数据包采用“起始标识(2字节)+命令标识(1字节)+错误/状态(1字节)+有效数据长度(1字节)+校验字节(1字节)+结束标识(2字节)+有效数据”的基本命令格式进行传输。
3、所有命令传输均按照：“主机(PC)发起—从机(设备)接收处理—从机(设备)返回处理结果—主机(PC)接收结果”的方式进行传输。为保证通讯可靠性，从机不得主动发起数据传输。
在上述定义规格的基础上，还包括：
4、超时时间根据主机“命令标识”的具体内容决定，超时时间定于为设备处理该命令的估计时间的3倍。2次连续通讯超时，则视作设备已失联。
5、当通讯异常时，主机应延时后再次发起通讯，若连续两次通讯异常，则视作主机与设备间连接不稳定，软件须及时告警。
以上所述光通信仪器上的USB通讯接口基本规格定义可使得光通信仪器的通讯访问更加可靠，且通过采用固定包长、超时判断、主机控制的方式保证了通讯异常时的快速识别；采用固件命令集成，来压缩通讯数据量，减少通讯数据数量。
本发明所述光通信仪器有很多种，比如说光功率计、光衰减器、光波长计和光时域反射计等，接下来以光功率计为例，详细描述通讯的完整过程。其中光功率计接口定义如表3所示：
表3
描述 命令 长度 数据1 数据2 数据3 数据4
读取当前光功率 0x01 0x04 0x00 0x00 0x00 0x00
设置测试波长 0x02 0x02 0x13 0x10 - -
读取系统电压监控值 0x03 0x02 0x00 0x00
读取系统温度监控值 0x04 0x02 0x00 0x00
表3、光功率计接口定义表
例如：主机终端需要读取系统温度值，并读取850nm波长的光功率测试值时，通讯步骤及正常的实际数据如下：
其中，“起始标识”为0x1234，“结束标识”为0x5678，校验字节仅对“有效数据”进行求和校验；
1、主机发送：0x1234+0x04+0x00+0x02+0x00+0x5678+0x00+0x00，(请求读取系统温度监控值)
2、从机回复：0x1234+0x04+0x00+0x02+0x19+0x5678+0x19+0x00，(未报错，实际温度为25摄氏度)
3、主机发送：0x1234+0x02+0x00+0x02+0x58+0x5678+0x08+0x50，(设定测试波长为850nm)
4、从机回复：0x1234+0x02+0x00+0x02+0x58+0x5678+0x08+0x50，(未报错，已设定测试波长为850nm)
5、主机发送：
0x1234+0x01+0x00+0x04+0x00+0x5678+0x00+0x00+0x00+0x00，(请求读取当前光功率值)
6、从机回复：
0x1234+0x01+0x00+0x04+0x81+0x5678+0x00+0x01+0x80+0x00，(未报错，实际光功率值为+1.5dBm)
步骤1-6是实现的详细过程，根据光学仪器的具体需求，开放更多的“命令标识”，根据前文所定义的通讯规范，即可实现USB接口的数据通讯功能。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (6)

1.一种基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其特征在于，包括以下步骤：
在光通信仪器上设置与其微控制器连接的USB接口，并在微控制器的程序代码区域中针对该光通信仪器定义USB标准描述符和HID报告描述符；
将光通信仪器通过USB接口连接至主机终端上，待主机终端检测；
检测到有光通信仪器插入的主机终端通过USB接口向光通信仪器的微控制器发送设备类型查询指令，所述光通信仪器接收所述指令并向主机终端发送所述USB标准描述符和HID报告描述符；
主机终端基于读取到的USB标准描述符和HID报告描述符将光通信仪器识别为HID人机接口设备，并通过USB接口建立起与所述光通信仪器的数据通讯通道。
2.如权利要求1所述的基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其特征在于，所述主机终端在建立起与所述光通信仪器的数据通讯通道后，按照“主机终端发送指令、光通信仪器微控制器接收处理指令并返回处理结果、主机终端接收结果”的方式进行数据传输。
3.如权利要求2所述的基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其特征在于，所述数据传输采用每个数据包64字节数据的方式进行，当传输的数据不足64字节数据时，不足的部分用0x00填充；当传输的数据超过64字节时，将数据分多次写入到光通信仪器微控制器的缓冲区。
4.如权利要求3所述的基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其特征在于，所述数据包的命令格式采用：
2字节数据的起始标识+1字节数据的命令标识+1字节数据的错误状态+1字节数据的有效数据长度+1字节数据的校验字节+2字节数据的结束标识+有效数据；其中，所述校准字节用于对所述有效数据进行求和校验。
5.如权利要求1所述的基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其特征在于，所述USB标准描述符至少包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。
6.如权利要求5所述的基于HID的免驱动光通信仪器接口访问方法，其特征在于，所述USB标准描述符还包括字符串描述符。
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