【文章內(nèi)容簡介】 b設(shè) 備H u b設(shè) 備復(fù) 合 設(shè) 備 圖 22 USB 的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （ 2）總線的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在物理結(jié)構(gòu)上，設(shè)備通過 Hub 連接到主機(jī)上，但在邏輯上，主機(jī)是直接與各個(gè)邏輯設(shè)備通信的。邏輯拓?fù)淙鐖D 23 所示。 主 機(jī)邏 輯 設(shè) 備 邏 輯 設(shè) 備 邏 輯 設(shè) 備 邏 輯 設(shè) 備 圖 23 USB 的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) USB 的數(shù)據(jù)流 傳輸 USB是為主機(jī)軟件和它的 USB應(yīng)用設(shè)備問的通信服務(wù)的，對 客戶與應(yīng)用間不同的交互， USB設(shè)備對數(shù)據(jù)流有不同的要求。每種通信流都采用了某種總線訪問方杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 法來完成主機(jī)上的軟件與設(shè)備之間的通信。每個(gè)通信流最終到達(dá)設(shè)備上某個(gè)對應(yīng)的端口。圖 24說明了數(shù)據(jù)如何在主機(jī)中的內(nèi)存緩沖和設(shè)備中的端口中傳送。 圖 24 USB通信流 主機(jī)控制器負(fù)責(zé)主機(jī)和 USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)做連續(xù)的比特流。每個(gè)設(shè)備提供了一個(gè)或多個(gè)可以與客戶程序通信的接口，每個(gè)接口由多個(gè)管道組成，它們分別獨(dú)立的在客戶程序和設(shè)備的特定端點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)。 USB驅(qū)動(dòng)為主機(jī)軟件的需求建立了接口和管道，當(dāng) 提出配置請求時(shí)，主控制器根據(jù)提供的參數(shù)提供服務(wù)。 USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸和批量傳輸。 ? 控制傳輸類型支持外設(shè)與主機(jī)之間的控制、狀態(tài)及配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道，每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳輸配置、命令和狀態(tài)信息。 ? 等時(shí)傳輸類型支持周期性、有限的時(shí)延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。常見的有多媒體設(shè)備，如音頻和視頻傳輸。 ? 中斷傳輸類型支持像游戲手柄、鼠標(biāo)鍵盤等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期 性，但要求相應(yīng)速度快。 ? 批量傳輸類型支持打印機(jī)、掃描儀、 U盤等設(shè)備，這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)量大，只有 USB滿足帶寬的情況下才進(jìn)行該類型的數(shù)據(jù)傳輸 USB 的應(yīng)用 虛擬儀器 虛擬儀器 [3]是基于計(jì)算機(jī)的信號(hào)測量技術(shù)，與傳統(tǒng)的儀器相比，虛擬儀器在各個(gè)方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，根據(jù)采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，虛擬儀器分為 PCI 總線式、VXI 總線式以及 PXI 總線式。自從 總線協(xié)議推出后， USB 總線就因其便捷、快速和即插即用等優(yōu)點(diǎn)得到迅速的應(yīng)用。因此將 USB 總線技術(shù)與虛擬儀器相杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 結(jié)合有很好的商業(yè)價(jià)值 。基于 USB 總線的虛擬儀器系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)模塊用于數(shù)據(jù)處理， USB 接口模塊用于計(jì)算機(jī)模塊和單片機(jī)模塊的通信，單片機(jī)模塊是為了控制被測設(shè)備，這是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的平臺(tái)。各個(gè)模塊運(yùn)行相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)特定的功能。 USB KEY 現(xiàn)代社會(huì)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)普及，各種交易都在網(wǎng)上進(jìn)行，因此網(wǎng)絡(luò)安全問題受到人們的普遍關(guān)注。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全密鑰雖然能夠保證絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)安全。但是這種保障并不是萬能的，因此研究人員就有了軟件和硬件相結(jié)合的方法來更好地保證網(wǎng)絡(luò)的安全的想法，基于 USB KEY[1]的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)就是這一想法 的具體實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要由認(rèn)證服務(wù)器、認(rèn)證客戶端、資源服務(wù)器及控制服務(wù)器組成?？刂品?wù)器主要完成截獲用戶發(fā)向資源服務(wù)器認(rèn)證的請求連接，將其轉(zhuǎn)發(fā)到認(rèn)證服務(wù)器進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證，當(dāng)認(rèn)證成功為用戶建立訪問資源服務(wù)器的透明代理。認(rèn)證服務(wù)器主要完成與客戶端的認(rèn)證工作，它存放用戶的身份認(rèn)證信息和本地的一些安全參數(shù)信息，同時(shí)為保證用戶與認(rèn)證服務(wù)器之間的通信，以及實(shí)現(xiàn)用戶對服務(wù)器的身份認(rèn)證，認(rèn)證服務(wù)器擁有 RSA 公私密鑰對。認(rèn)證客戶端主要包括一個(gè) USB KEY 作為用戶資源訪問認(rèn)證的物理設(shè)備，還包括讀取和操作 USB KEY 的驅(qū)動(dòng) 程序，用戶在向認(rèn)證服務(wù)器注冊時(shí)，管理員在用戶的 USB KEY 中寫于標(biāo)識(shí) KEY 的唯一 ID 號(hào)、用戶客戶端認(rèn)證信息以及認(rèn)證服務(wù)器的公鑰，同時(shí)認(rèn)證服務(wù)器在本地的數(shù)據(jù)庫中為用戶生成注冊信息，這樣用戶就成為了網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)器的合法用戶，用戶要訪問資源服務(wù)器必須要有網(wǎng)絡(luò)密鑰和 USB KEY，這樣有了雙重保障才讓網(wǎng)絡(luò)更安全。 有 機(jī)磷農(nóng)藥檢測系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對有機(jī)磷農(nóng)藥的殘留量進(jìn)行快速有效地檢測，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于 USB 的有機(jī)磷農(nóng)藥檢測系統(tǒng) [2]。其工作原理主要是，通過電化學(xué)磷傳感器檢測溶液中有機(jī)磷 的殘留量并轉(zhuǎn)化成微電信號(hào)，再由信號(hào)檢測電路及 AD轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)化后的信號(hào)發(fā)送給控制單元 ARM 控制電路，然后控制模塊使用 USB總線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī) PC，最后是 PC 機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析和處理。此系統(tǒng)能夠完成有機(jī)磷農(nóng)藥的快速高效的檢測和相關(guān)分析及處理工作。 USB 事務(wù)中繼技術(shù) USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是典型的主從結(jié)構(gòu)模型，一條總線上只有一個(gè)主設(shè)備或者主機(jī)，所有其他的設(shè)備都是從設(shè)備，只有主設(shè)備才能發(fā)起傳輸事務(wù)，其他的從設(shè)備只能對事務(wù)應(yīng)答。通過開發(fā) USB 協(xié)議傳輸事務(wù)，我們可以實(shí)現(xiàn) USB 事務(wù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，遠(yuǎn)程的主 機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)就可以對本地的 USB從設(shè)備發(fā)起事務(wù)傳輸，這樣就實(shí)現(xiàn)了 USB總線上的多主設(shè)備模型。因?yàn)槲覀兊南到y(tǒng)允許原來的 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)不用進(jìn)行修改就可以用于訪問現(xiàn)在的虛擬 USB 設(shè)備，所以我們可以像訪問本地設(shè)備一樣訪問遠(yuǎn)杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 程的 USB 設(shè)備。通過采用 USB 事務(wù)中繼技術(shù) [4]，我們建立能夠處理多客戶端訪問本地設(shè)備的分時(shí)服務(wù)器，這樣客戶端就可以根據(jù)工作的需要取得和釋放遠(yuǎn)程 USB設(shè)備的使用權(quán)，這樣就大大提高了資源的利用率 。 無線 USB USB 技術(shù)使得許多的外圍設(shè)備很容易接入計(jì)算機(jī)，但是當(dāng)這些設(shè)備都接入時(shí)，這些有線 的設(shè)備聚集在一起就變得很繁雜，為了解決這個(gè)問題，一些廠商就開始發(fā)布無線 USB 的產(chǎn)品，現(xiàn)在無線 USB 的設(shè)備也很常見，如鼠標(biāo)、鍵盤燈，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在的 USB 設(shè)備中有 %是無線 USB 設(shè)備，相信這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)逐年增加。隨著集成電路，無線電以及無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線 USB 技術(shù)也會(huì)得到快速的應(yīng)用，現(xiàn)在 WUSB[8]無線電在移動(dòng)終端上的應(yīng)用已經(jīng)成為可能。除了作為一個(gè)單一的芯片， WUSB 也可以以集成電路的形式集成進(jìn)母板，集成卡和各種設(shè)備。同樣， WUSB的發(fā)展也會(huì)面臨一些問題，首先就是無線連接的不可靠性，可能受到各方面的 干擾，還有如何降低 WUSB 設(shè)備的成本，提高設(shè)備的性能，通常 WUSB 設(shè)備的價(jià)格比有線設(shè)備高，而性能往往比有線設(shè)備低，因此 WUSB 設(shè)備完全代替有線 USB 設(shè)備還有漫長的路。 家庭醫(yī)療 隨著儀器技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，家庭醫(yī)療 [9]已經(jīng)進(jìn)入我們的生活。但是，如何將這些高科技應(yīng)用形成一個(gè)低成本更人性化的系統(tǒng)將是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳斑@樣的系統(tǒng)大多是基于 PC 的各種檢查設(shè)備，這樣導(dǎo)致成本很高而且不方便。因此，研究人員就提出了基于 ARM 的嵌入式醫(yī)療系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要由基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)， USB 接口和遠(yuǎn)程通信技術(shù) 構(gòu)成， USB 接口是這個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵平臺(tái)，ARM微處理器是控制 USB主機(jī)的操作以及擴(kuò)展每一個(gè) USB設(shè)備代表的醫(yī)療請求，每個(gè) USB 設(shè)備的醫(yī)療請求通過網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)家庭醫(yī)療系統(tǒng)。這個(gè)平臺(tái)可以連接至少 127 個(gè)從設(shè)備或 USB 端口的醫(yī)療請求，因此，用戶可以很容易的通過 PDA 或者 GPRS 遠(yuǎn)程通信設(shè)備控制盒連接遠(yuǎn)程檢查設(shè)備和控制設(shè)備，這樣系統(tǒng)就變得成本低而且更加人性化。 USB 驅(qū)動(dòng) USB驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)涉及主機(jī)驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分， USB主機(jī)控制器主要有 UHCI， OHCI,EHCI和 OTG四種主要類型的主機(jī)控制器， USB設(shè)備一般按類來分，有存儲(chǔ)類、人機(jī)接口類、通信類等，驅(qū)動(dòng)的開發(fā)也是對于特定的類而不是某個(gè)設(shè)備。 USB 主機(jī) USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)檢測 USB設(shè)備的連接和拆除，管理 USB接口之間的通信和 USB數(shù)據(jù)的傳輸，為 USB設(shè)備提供電源，其硬件本身一般都是一個(gè) PCI的設(shè)備，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)涉及到 PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，因此在這里就不討論主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)的開杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 發(fā)。 USB 設(shè)備 USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序是與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，它主要實(shí)現(xiàn)特定 USB設(shè)備的訪問，為應(yīng)用程序提供訪問接口 。它使用 USB核心提供的函數(shù) 與設(shè)備通信，所以它是與平臺(tái)無關(guān)的。 USB核心用 usb_driver來標(biāo)識(shí)一個(gè) USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)用 usb_register(struct usb_driver *driver)和 usb_deregister(struct usb_driver *)注冊和注銷 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，struct usb_device_id用來描述 USB設(shè)備的功能和類別，通常 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)會(huì)根據(jù)usb_device_id來判斷 USB設(shè)備是否是自身支持的設(shè)備， USB體系的各個(gè)模塊之間使用 USB請求塊進(jìn)行信息的傳遞 ,它用 struct urb 結(jié)構(gòu)描述。創(chuàng)建一個(gè) urb用usb_alloc_urb(int iso_packets, intmem_flags)函數(shù)，釋放一個(gè) urb用 usb_free_urb(struct urb *urb)函數(shù)，提交一個(gè) urb給 USB核心用 usb_submit_urb(struct urb *urb,gfp_t mem_flags)。 由于 USB支持四種類型的傳輸，因此也有四種類型的 urb，用于控制傳輸類型的 urb 用 usb_fill_control_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,unsigned int pipe,unsigned char *setup_packets,void *transfer_buffer,int buffer_length,usb_plete_t plete_fn,void *context)函數(shù)填充 ，中斷類型的 urb用usb_fill_int_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,unsigned int pipe,void *transfer_buffer, int buffer_length,usb_plete_t plete_fn ,void *context, int interval)函數(shù)填充，批量傳輸類型的 urb用 usb_fill_bulk_urb(struct urb *urb,struct usb_device *dev,unsigned int pipe,void *transfer_buffer,int buffer_length,usb_plete_t plete_fn, void *context)函數(shù)構(gòu)造，而對于等時(shí)傳輸類型 的 urb沒有現(xiàn)成的函數(shù)進(jìn)行構(gòu)造，需要自己手動(dòng)填充。 一般 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)包括以下步驟： ? 實(shí)現(xiàn) usb_driver結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的 file_operations結(jié)構(gòu)； ? 在模塊的加載函數(shù)中調(diào)用 usb_register函數(shù)向內(nèi)核注冊設(shè)備，在模塊的卸載函數(shù)中調(diào)用 usb_deregister函數(shù)注銷設(shè)備； ? 調(diào)用 usb_alloc_urb函數(shù)分配一個(gè) urb，調(diào)用相關(guān)的填充函數(shù)（如中斷 urb用 usb_fill_int_urb）構(gòu)造一個(gè) urb，記得實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的完成函數(shù)，因?yàn)橹鳈C(jī)控制器返回 urb時(shí)會(huì)調(diào)用完成函數(shù)，用 usb_submit_urb向內(nèi)核提交 urb； ? 在完成函數(shù)中完成后續(xù)操作，可以重新提交 urb，也可以釋放 urb。 這只是一般驅(qū)動(dòng)都會(huì)實(shí)現(xiàn)的基本步驟，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)比這要復(fù)雜得多。由于本課題中 USB攝像頭用到的驅(qū)動(dòng)是 Linux內(nèi)核提供的萬能驅(qū)動(dòng)，其實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，因此在這里就不過多的闡述，感興趣的讀者可以參考內(nèi)核源代碼 USB驅(qū)動(dòng)模塊。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 4 Qt/Embedded 開發(fā) Qt/Embedded 簡介 Qt/Embedded[7] 以原始 Qt 為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。 Qt/Embedded 通過 Qt API 與 Linux I/O 設(shè)施直接交互，成為嵌入式 Linux 端口。 信號(hào)和插槽機(jī)制是 Qt 的核心機(jī)制，要精通 Qt 編程就必須對信號(hào)和插槽有所了解。信號(hào)和插槽是一種高級(jí)接口，應(yīng)用于對象直接的通信，它是 Qt 的核心特性，也是 Qt 區(qū)別與其它工具包的重要地方。當(dāng)某個(gè)信號(hào)對其客戶或所有者內(nèi)部狀態(tài)發(fā)送改變時(shí)，信號(hào)就被一個(gè)對象發(fā)射。只有定義了這個(gè)信號(hào)的類及其派生類才能夠發(fā)射這個(gè)信號(hào)。當(dāng)一個(gè)信號(hào)被發(fā)射時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的插槽就將被執(zhí)行，就像一個(gè)正常的函數(shù)調(diào)用一樣，信號(hào)和插槽機(jī)制完全獨(dú)立與任何 GUI 事件循環(huán)。插槽是普通的 C++成員 函數(shù)，可以被正常調(diào)用，它們唯一的特殊性就是很多信號(hào)可以與其相關(guān)聯(lián)。當(dāng)與其相關(guān)聯(lián)的信號(hào)被發(fā)射時(shí)，這個(gè)插槽就會(huì)被調(diào)用。插槽可以有參數(shù)，但插槽的參數(shù)不能有默認(rèn)值。 Qt/Embedded 常用類 控件屬性類 QChar 類是 Qt 中用于表示一個(gè)字符的類，類內(nèi)部用兩個(gè)字節(jié)的 Unicode 編碼來表示一個(gè)字符； QString 類是 Qt 中用于表示字符串的類，它采用 Unicode 內(nèi)部編碼，可以表示世界上大多數(shù)語言的文字，它的存儲(chǔ)有引用計(jì)數(shù)，當(dāng)一個(gè) Qstring 對象被復(fù)制為另一個(gè) Qstring 對