Вместо вступления
Как обычно я предлагаю заняться странным — попробовать подключить несколько старых RS232 устройств, через один USB порт с помощью синей изоленты и смекалки. Статья не будет большой, скорее это описание что где взять и зачем вообще все это делать.
Зачем?
Нужно это бывает когда некий специальный аппаратный комплекс, состоящий из отдельных устройств и который выполняет какую-то единый функционал, вдруг начинают модифицировать. Разумеется что можно попробовать найти комплекс оборудования по новее, но в реальной жизнь на это идут очень редко. Начинают модифицировать то что есть. Иногда вдумчиво, но чаще как получится.
Как правило «мозгами» такого комплекса является компьютер у которого 100500 выходов RS232. Из примеров могу привести место кассира в супермаркете, банкоматы и тому подобное. С первым случаем столкнулся я.
Эти компьютеры не блещут мощностью, но отличаются космической стоимостью. Естественно он перестает отвечать требованиям современных технологий и многим приходит в голову идея заменить их на обычный ПК и получить приличную мощность по адекватной цене, однако быстро выясняется что RS232 на новых ПК вымер как класс. Теперь этот интерфейс стал сугубо специализированным. Соответственно надо или самостоятельно прикручивать кучу RS232 или искать уже готовое спец решение.
Разумеется что можно заменить само оборудование, но если вы посмотрите сколько стоит стационарный лазерный сканер приличной фирмы и помножите эту цену на их количество то передумаете.
Люди не посвященный в тему сразу радостно покупают пучок китайских USBtoRS232 переходников, а дальше все идет очень печально. Лучше этого не делать. Вторым вариантом является покупка специализированной платы расширения с кучей RS232. Этот вариант уже лучше и имеет право на жизнь, но тоже имеет свои недостатки. Например стоимость и проблемы с дровами если используется не Windows или не та версия. Так же не маловажным фактором является доступность в будущем, так как что-то выходит из строя и парк может расширятся в будущем. Потом оказывается что конкретная модель уже не выпускается или не постановляется в конкретную местность и т.д. В общем привязывать себя к конкретному устройству это всегда опасно, особенно если можно этого не делать.
Пробуем что-то сделать
Может показаться странным что примитивные RS232 устройства так сложно и дорого подключить по нормальному если по сути там обычно простые протоколы и примитивный физический уровень. А все потому что обычно подобные аппаратные комплексы используются в коммерческих доходных сферах и покупка оборудования по таким ценам оправдана, а само оборудование уже перешло в разряд специального. Спец оборудование = спец цена вопроса.
Однако все это не мешает попробовать собрать свой бюджетный велосипед. Бонусом получим возможность менять поведение такого своеобразного RS232 мультиплексора и полностью обойдем проблему написания USB драйверов. HID профиль поддерживается почти везде.
Однажды я прочел отличную статью автора RaJa До этого я интересовался USB, но до практики не доходило. В наличии у меня было несколько дешевых отладочных плат, китайских клонов Blue Pill на микроконтроллере Stm32f103c8t6. Сама история и идея создания этой платы очень интересная, стоит поинтересоваться.
Этот микроконтроллер отличается тем что имеет три UART и аппаратную поддержку USB. Это то что может быть нам интересно в разрезе нашей задумки, а вообще микроконтроллер на этой плате, работает на частоте 72Mhz и по характеристикам порвет любое Arduino схожего формфактора. Но самое главное преимущество это повсеместная распространенность этой платы. Я не знаю более простых и дешевых способов пощупать «железный» USB.
Добавив три дешевых преобразователя RS232toUART MAX2323 и немного «рассыпухи» можно собрать своеобразный конвертер интерфейса 3хRS232 <=> USB.
В моем случае нужно было подключить три RS232 устройства к Raspberry Pi 3. Если использовать обычные RS232 <=> USB переходники то в итоге сталкиваешься с тем что в системе куча одинаковых устройств к которым не понятно что подключено и все это дико глючит, а выглядит еще более печально.
Если вы немного капнете в сторону какие микросхемы USB to UART доступны повсеместно, то обнаружите что там полно подделок. Думаю не стоит объяснять как это все потом себя ведет с оригинальными драйверами. И никто не мсожет гарантировать вам что даже брендовые переходники вдруг не закупят левую партию микросхем. Удешевление производства оно происходит повсеместно.
В итоге придумалась примерно такая простая схема коммутации ее даже можно изобразить в стиле Arduino:
Я отломал резистор который подтягивает D- к питанию и сделал эту подтяжку управляемой с помощью транзистора. Она отвечает за опознание устройства на USB шине.
Распиновка разъемов RS232 в программе (Fritzing) где я набрасывал схему странноватая, но думаю никому не составит труда найти ее в интернете, контакты задействованы как обычно 2,3 и 5. А еще удобнее будет использовать платы конвертера UART to RS232 котором уже присутствует разъем RS232.
Low Level
Код для микроконтроллера я писал и отлаживал с помощью IDE EmBitz (если честно то я был удивлен как легко завелась эта IDE, особенно после танцев с бубном вокруг CooCox. ). За основу взял проект из статьи выше. Это первый пример который у меня заработал сразу после заливки.
Я добавил работу с тремя UART и изменил структуру HID репортов так чтобы обмен с ПК шел всегда по 64 байта с контрольной суммой (crc8).
Попытался организовать автопереподключение устройства если соединение по USB не прошло корректно. Не претендую на супер алгоритм, должен признать что не являюсь специалистом по USB. Отдельный транзистор, отображенный на схеме, управляемый отдельным пином B5 подтягивает одну из сигнальных линий USB к питанию что имитирует включение устройства и хост проводит инициализацию устройства. Если попытка не удачная то происходит переподключение.
Было замечено что в Linux (Raspbian) процент не успешных подключений значительно меньше чем в Win 10, возможно этот результат получился из-за моих локальных технических условий.
Общий алгоритм похож на примитивный маршрутизатор, принимая пакет по USB мы смотрим какому UART оно предназначено и пересылаем туда, в обратную сторону аналогично. Есть немного обработки самих пакетов но это относится к конкретному RS232 оборудованию которое я подключал. Это были: экран покупателя Datecs dpd-201, стационарный лазерный сканер штрихкодов Datalogic Magellan 8300 и весы Digi DS890.
На фото выше тестовый образец устройства содержит еще DC-DC шим преобразователь питания на микросхеме MP2307.
Это нужно для того чтобы питать устройство от напряжения 10-24В (входное) и иметь возможность подключить дисплей покупателя который питается от такого же напряжения. После DC-DC шим преобразователя поулчаем 3.3В для всех остальных модулей. Для этого дисплея так же установлен «телефонный» разъем вместо RS232, не хотелось перепаивать стоковый штекер.
Проект лежит тут.
High level
Вторая часть софта это примеры и тесты собранные в сумбурный проект на Java написанный IDE IDEA. Предполагается что работа с устройством интегрируется в софт высокого уровня используя различные обертки по работе с USB стеком в зависимости от языка на кортом этот софт пишется. Сейчас сложно найти такой ЯП чтобы под него не существовало таких оберток. Отдельно для староверов отмечу что java и usb совместимы если готовить правельно, это доказано практикой и используется в коммерческом проекте.
В процессе тестирования выяснилось что работа в Linux и Windows с USB HID несколько отличается, работа отлаживалась через две библиотеки usb4java и hid4java. Работа через последнюю используется в Linux (Raspberry Pi 3).
Разница заключается в том что в Windows можно обратится напрямую к USB устройству даже если оно зарегистрировано как HID и писатьчитать его конечные точки (endpoint). В Linux же приходится работать с hid устройством. То есть устанавливается стандартный драйвер hid и всё, работайте только с ним пожалуйста. Работа таким образом происходит немного медленнее чем напрямую, но напрямую тоже возможно если убедить систему не ставить драйвера. Это реально.
Как и обещал не растягиваю статью и не привожу подробное описание кода, те пару человек кому интересно могут посмотреть проекты и поиграться в живую, а остальным думаю будет полезнее принять к сведению что есть такое решение и прибегнуть к более глубокому изучению в случае необходимости.
Заключение
Представленное устройство это лишь одни из примеров как довольно легко можно приобщится к процессу создания нативных USB устройств и перестать наконец использовать переходники.
Не забываем плюсовать RaJa автора статью в которых на пальцах объясняется как пощупать железный USB и сохранить желание разбираться дальше.
Автор: Владимир
