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CN113179330A - 一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统 - Google Patents

一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统 Download PDF

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CN113179330A
CN113179330A CN202110571156.5A CN202110571156A CN113179330A CN 113179330 A CN113179330 A CN 113179330A CN 202110571156 A CN202110571156 A CN 202110571156A CN 113179330 A CN113179330 A CN 113179330A
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Abstract

本发明公开了一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，包括设备注册模块、设备连接管理模块；设备注册模块用于实现对请求与上位机进行连接的外部设备进行注册，并为每个外部设备定义别名和生成设备描述符，关联别名和设备描述符，其中，设备描述符包含外部设备的通信协议和访问地址；设备连接管理模块封装有协议库，用于基于外部设备的连接请求从设备注册模块获取与外部设备的别名对应的设备描述符，并依据从设备描述符解析获得的信息，使用封装的协议库创建上位机与外部设备之间的连接会话。通过对外部设备提供统一的管理和控制接口，提升了上位机对外部设备的兼容性和适用性。

Description

一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接 管理系统
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统。
背景技术
随着计算机与信息技术的进步，需要连接计算机的外部设备的种类及功能越来越多，上位机连接外部设备的硬件接口从传统的串口逐渐发展到 USB总线、GPIB总线、以太网总线等。外部设备的控制、数据的采集等都需要在硬件接口上实现一个软件协议来进行传输，因此渐渐演变出多种多样的协议和接口。
在工业开发和学术研究中，常常会将各种仪器设备集成一个复杂的网络，需要通过计算机对着复杂网络中的各种仪器设备进行远程控制和数据采集。到目前为止，这种环境下使用的是为各个仪器设备实现独立的软件驱动，通过驱动来实现控制协议的封包和解包。
由于硬件接口的种类繁多，基于各类硬件接口开发的设备驱动也层出不穷，而真正去使用时会发现对各类仪器设备的驱动接口管理混乱。在实现软件控制时，代码冗余浪费，难以实现兼容性和适用性。
发明内容
鉴于上述，本发明实施例提供了一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，通过对外部设备提供统一的管理和控制接口，提升了上位机对外部设备的兼容性和适用性。
第一方面，实施例提供的一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，包括设备注册模块、设备连接管理模块；
所述设备注册模块用于实现对请求与上位机进行连接的外部设备进行注册，并为每个外部设备定义别名和生成设备描述符，关联别名和设备描述符，其中，设备描述符包含外部设备的通信协议和访问地址；
所述设备连接管理模块封装有协议库，用于基于外部设备的连接请求从设备注册模块获取与外部设备的别名对应的设备描述符，并依据从设备描述符解析获得的信息，使用封装的协议库创建上位机与外部设备之间的连接会话。
一个实施例中，所述设备注册模块依据外部设备的别名对注册的外部设备进行删除或修改设备描述符。
一个实施例中，所述外界设备的通信协议包括TCP/IP协议、IPX/SPX 协议、NetBEUI协议、USB协议、UART协议。
一个实施例中，当设备的通信协议为TCP/IP协议时，设备描述符中在TCP/IP协议下的访问地址定义为：传输层协议_IP地址_端口_，其中，传输层协议值为TCP、UDP，端口范围0～65535。
一个实施例中，当设备的通信协议为USB协议时，设备描述符中在 USB协议下的访问地址定义为：USB_VID_PID_REV_MI_COL_， USB_VID_PID_REV_CDC_，USB_CLASS_SUBCLASS_PORT_；
其中，VID表示供应商代码，采用4个字符表示16进制的字符串； PID表示制造商代码，采用4个字符表示16进制的字符串；REV表示设备版本，采用4个字符表示16进制的字符串；MI表示USB复合设备的接口ID，采用2个字符表示16进制的字符串；COL表示USB的HID设备，采用HID设备的collection id；CDC表示USB的CDC设备，采用CDC 子类的ID标识；CLASS和SUBCLASS分别表示类和子类；PORT表示计算机端口。
一个实施例中，当设备的通信协议为UART协议时，设备描述符中在UART协议下的访问地址定义为：UART_串口号_。
一个实施例中，所述设备连接管理模块解析设备描述符获得TCP/IP 协议和对应的访问地址后，为TCP/IP协议和对应的访问地址创建一个 socket，将socket作为用户可操作的session，通过session实现上位机和外部设备之间的数据通信。
一个实施例中，所述设备连接管理模块解析设备描述符获得USB协议和对应的访问地址后，调用上位机的USB驱动接口，通过USB驱动接口建立上位机与外部设备之间的会话，实现数据通信。
一个实施例中，所述设备连接管理模块解析设备描述符获得UART 协议和对应的访问地址后，将串口看作独立设备，根据设备注册模块中的配置对串口进行初始化，初始化结束后，通过串口实现上位机与外部设备之间的数据通信。
上述技术方案具有的有益效果至少包括：
通过设备注册模块为需要连接上位机的各硬件通信协议和硬件接口规范的外部设备提供统一的注册接口，同时配合内设有各通信协议的设备连接管理模块，利用设备注册模块生成的设备描述符和设备连接管理模块封装的协议库实现建立上位机和外部设备的会话。这样外部设备连接管理系统作为抽象出统一的虚拟设备层，使得各种硬件接口的外部设备在虚拟设备层中都可以作为同样的虚拟设备进行连接、读数据、写数据等操作，而针对不同硬件通信协议的适配和兼容性处理，对于请求者是透明的，这样在请求者看来，对各种不同硬件协议的设备就可以使用同一种操作方式来进行操作交互，大大简化了代码的编写方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是一实施例提供的外部设备连接管理系统的结构示意图；
图2是一实施例提供的外部设备连接管理模块的功能图；
图3是一实施例提供的USB类型设备的初始化流程图；
图4是一实施例提供的USB类型设备的连接序列图；
图5是一实施例提供的网络协议session创建流程图；
图6是一实施例提供的网络协议的读写序列图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
由于硬件接口的种类繁多，基于各类硬件接口开发的设备驱动也层出不穷，而实际使用时会发现对各类设备的驱动接口管理混乱，在实现软件控制时，代码冗余浪费，难以实现兼容性和适用性。为了解决这个技术问题，本发明实施例提供了一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，作为一套软件管理平台，统一管理各种软件驱动接口，对外提供统一的软件管理和控制接口，以实现兼容常见通信类型的硬件接口，提升适用性。
图1是一实施例提供的外部设备连接管理系统的结构示意图。如图1 所示，实施例提供的外部设备连接管理系统100包括设备注册模块110和设备连接管理模块120。
其中，设备注册模块110作为对外部设备进行管理和通讯的统一接口，主要是向外部设备(请求者)提供方式将与上位机存在物理连接的外部设备注册到管理系统中并进行持久化存储。具体地，设备注册模块110用于实现对请求与上位机进行连接的外部设备进行注册，并为每个外部设备定义别名和生成设备描述符，关联别名和设备描述符，其中，设备描述符包含外部设备的通信协议和访问地址。
实施例中，设备注册模块110为不同硬件接口规范和硬件通信协议提供了统一的设备描述符规范，使用该设备描述符规范生成的设备描述符中，既包含了外部设备的硬件接口规范及硬件通信协议类型，也包含了在硬件通信协议下设备的唯一访问地，并以此来确定多通信协议硬件网络中的唯一设备，即设备描述符＝f(通信协议，访问地址)。
实施例中，设备描述符包含的外界设备的通信协议包括TCP/IP协议、 IPX/SPX协议、NetBEUI协议、USB协议、UART协议等。其中，TCP/IP 协议对应的硬件接口包括RJ45网口、光纤接口等，UART协议对应的硬件接口包括RS232串口、RS485串口等，USB协议对应接口包括USB接口等。
实施例中，设备描述符包含的访问地址是外界设备在通信协议下唯一的访问地址。下面针对TCP/IP协议、USB协议以及UART协议对应的访问地址进行详细说明。
当设备的通信协议为TCP/IP协议时，设备描述符中在TCP/IP协议下的访问地址定义为：传输层协议_IP地址_端口_，其中，传输层协议值为TCP、UDP，端口范围0～65535。例如，TCP_192.168.0.10_5050。
当设备的通信协议为USB协议时，设备描述符中在USB协议下的访问地址定义为：USB_VID_PID_REV_MI_COL_， USB_VID_PID_REV_CDC_，USB_CLASS_SUBCLASS_PORT_；
其中，VID(vender id)表示供应商代码，采用4个字符表示16进制的字符串；PID(product id)表示制造商代码，采用4个字符表示16进制的字符串；REV(version fordevice)表示设备版本，采用4个字符表示 16进制的字符串，该REV可选择作为访问地址；MI(multi-interface)表示USB复合设备的接口ID，采用2个字符表示16进制的字符串，该MI可选择作为访问地址；COL(collection)表示USB的HID设备，采用HID 设备的collectionid，该COL可选择作为访问地址；CDC(Communications Device Class id)表示USB的CDC设备，采用CDC子类的ID标识；CLASS 和SUBCLASS分别表示类和子类；PORT表示计算机端口。举例说明，访问地址可以为：USB_4a2d_b218_0310_,USB_4628_3218_0310_01_。
当设备的通信协议为UART协议时，设备描述符中在UART协议下的访问地址定义为：UART_串口号_。例如，uart_1_。
在USB类型的外部设备中，同一外部设备会有多组串口接口，但同样会符合上述的唯一性。对软件来说，接口即设备，因此针对USB类型的外部设备的设备描述符，带上接口ID(MI对应的id)即可以确定唯一的软件接口设备。
实施例中，当请求向设备注册模块申请注册外部设备时，设备注册模块会根据传入的设备访问地址、使用通信协议、接口类型等信息组合成设备硬件描述符。同时会为外部设备指定一个别名。该别名与硬件描述符关联到一起，当需要时，设备注册模块依据外部设备的别名对注册的外部设备进行删除或修改设备描述符。这样对所有通信协议的通讯接口均使用别名作为参数进行调用，确保了在使用过程中，无需关注设备的通讯方式，只需要了解设备使用的功能接口即可。
设备连接管理模块120主要用于对注册到系统中的外部设备进行会话连接的建立及管理。具体地，设备连接管理模块120内封装有协议库，当用户尝试使用设备连接管理模块120的软件接口创建设备的连接时，外部设备需要传入已经注册的外部设备的别名，基于外部设备的连接请求从设备注册模块110获取与外部设备的别名对应的设备描述符，并依据从设备描述符解析获得的通信协议类型、访问地址或接口类型等信息，使用封装的协议库创建上位机与外部设备之间的连接会话，如图2所示。
实施例中，设备连接管理模块120解析设备描述符获得USB协议和对应的访问地址后，调用上位机的USB驱动接口，通过USB驱动接口建立上位机与外部设备之间的会话，实现数据通信。
在windows系统里，针对USB类型的外部设备封装了比较通用的USB 接口，整套API(Application Programming Interface，应用程序接口)在 windows的winusb(U盘启动盘制作工具)驱动程序中。在操作USB类型的外部设备时，直接获取注册到PC(PersonalComputer，个人计算机) 中的winusb设备列表，从winusb设备列表找出需要控制的外部设备，获取设备路径、设备句柄、winusb句柄。通过设备句柄可以获取该USB类型的外部设备的接口句柄，再通过接口句柄对外部设备进行初始化和后期的通信，具体流程图详见图3。在使用期间，用户需要一个独立的句柄用户表示某个设备的某个接口，因此会对USB类型的设备句柄、接口句柄做拼接操作，因此针对设备连接管理模块120的用户来说，接口即设备。实施例中，USB类型的设备句柄、接口句柄之间的拼接操作类似于hash 算法，得出唯一的session值，因此在usb协议中，会维护一个map<DeviceId， Interface Id>，在调用时，通过map获取到映射中对应设备的对应接口上。
图4为一实施例提供的USB类型设备的连接序列图。如图4所示，对的USB类型设备的连接就过程是统一的打开、关闭(图4中未显示)、读取、写入的基本操作接口。在USBConnection中，才使用winusb的接口去系统中查找设备节点，并获取设备的GUID(Globally Unique Identifier，全局唯一标识符)，通过GUID获取设备相关的配置，例如：全速、高速、是否独立电源等。拿到GUID的同时也会拿到interface ID(接口ID)，通过interface ID就可以使用winusb接口对usb设备的读取和写入等操作。
实施例中，设备连接管理模块120解析设备描述符获得TCP/IP协议和对应的访问地址后，为TCP/IP协议和对应的访问地址创建一个socket (套接字)，将socket作为用户可操作的session(会话控制)，通过session 实现上位机和外部设备之间的数据通信。
针对IP协议类型的外部设备，直接提供socket的session，这样确保设备连接管理模块对外接口中的session和其他类型的设备可以统一。在网络协议中，需要先从用户传入的别名中找出与之对应的地址描述符。解析描述符就可以得到访问地址、通信端口、具体的通信协议。再根据解析出来的内容创建一个可以连接的socket，此处的socket即为用户可对其操作的session，后面用session代替socket。用户拿到session后，即可以对该session进行读写操作，如图5所示和图6所示。
实施例中，网络设备的通讯接口，即为直接的标准API。在此处为了与其他类型的接口保存统一，将绑定IP的socket返回给用户，只有这样用户才能对socket进行操作。
实施例中，设备连接管理模块解析设备描述符获得UART协议和对应的访问地址后，将串口看作独立设备，根据设备注册模块中的配置对串口进行初始化，初始化结束后，通过串口实现上位机与外部设备之间的数据通信。
串口类型的设备，即为本机设备，也就是说串口本身是设备，不像网络或者USB属于接口类型。因此根据注册子模块中的配置对串口进行初始化，初始化波特率、数据位长度、停止位长度等。初始完成后，将用户下发的指令发送给串口设备，当串口设备有返回数据，就会把从串口设备中读取到的数据返回给用户。在整个串口操作过程中，对用户展现的是串口，而不是串口连接的设备，因为串口不像USB或者网络可以从设备端获取IP或者ID等信息。
上述实施例提供的外部设备连接管理系统中，封装了各种通关协议及对应接口，对外统一注册接口，可以通过注册信息灵活的配置注册接口信息，但无需关心各种接口的具体操作。使用统一注册接口，根据端口的ID 即可获取该端口的通讯权限。避开了因为接口种类繁多带来的问题，大大的简化了提供给用户的API接口。该外部设备连接管理系统简单有效，降低了对各类接口学习成本，加速了常用接口中的开发周期。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，包括设备注册模块、设备连接管理模块；
所述设备注册模块用于实现对请求与上位机进行连接的外部设备进行注册，并为每个外部设备定义别名和生成设备描述符，关联别名和设备描述符，其中，设备描述符包含外部设备的通信协议和访问地址；
所述设备连接管理模块封装有协议库，用于基于外部设备的连接请求从设备注册模块获取与外部设备的别名对应的设备描述符，并依据从设备描述符解析获得的信息，使用封装的协议库创建上位机与外部设备之间的连接会话。
2.如权利要求1所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，所述设备注册模块依据外部设备的别名对注册的外部设备进行删除或修改设备描述符。
3.如权利要求1所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，所述外界设备的通信协议包括TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议、USB协议、UART协议。
4.如权利要求3所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，当设备的通信协议为TCP/IP协议时，设备描述符中在TCP/IP协议下的访问地址定义为：传输层协议_IP地址_端口_，其中，传输层协议值为TCP、UDP，端口范围0～65535。
5.如权利要求3所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，当设备的通信协议为USB协议时，设备描述符中在USB协议下的访问地址定义为：USB_VID_PID_REV_MI_COL_，USB_VID_PID_REV_CDC_，USB_CLASS_SUBCLASS_PORT_；
其中，VID表示供应商代码，采用4个字符表示16进制的字符串；PID表示制造商代码，采用4个字符表示16进制的字符串；REV表示设备版本，采用4个字符表示16进制的字符串；MI表示USB复合设备的接口ID，采用2个字符表示16进制的字符串；COL表示USB的HID设备，采用HID设备的collectionid；CDC表示USB的CDC设备，采用CDC子类的ID标识；CLASS和SUBCLASS分别表示类和子类；PORT表示计算机端口。
6.如权利要求3所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，当设备的通信协议为UART协议时，设备描述符中在UART协议下的访问地址定义为：UART_串口号_。
7.如权利要求3所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，所述设备连接管理模块解析设备描述符获得TCP/IP协议和对应的访问地址后，为TCP/IP协议和对应的访问地址创建一个socket，将socket作为用户可操作的session，通过session实现上位机和外部设备之间的数据通信。
8.如权利要求3所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，所述设备连接管理模块解析设备描述符获得USB协议和对应的访问地址后，调用上位机的USB驱动接口，通过USB驱动接口建立上位机与外部设备之间的会话，实现数据通信。
9.如权利要求3所述的兼容多种硬件接口规范及硬件通信协议的外部设备连接管理系统，其特征在于，所述设备连接管理模块解析设备描述符获得UART协议和对应的访问地址后，将串口看作独立设备，根据设备注册模块中的配置对串口进行初始化，初始化结束后，通过串口实现上位机与外部设备之间的数据通信。
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