USB HID 技術散記（三） --- 系統干擾問題

 

這又是一個在USB 市面上相關書籍裡不會教您卻又是一個很重要的USB 系統應用問題的事！

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關於USBHID 的應用在一般人的眼中是認為他在 M$ 的作業系統中會提供標準的

驅動程式，所以可以免去許多人對於視窗作業系統底層的畏懼，而可以簡單輕鬆上手。

但USBHID 在規格上還有一個好處是：他提供了Interrupt In Token (Pipe Interface)介面。

再搭配作業系統的驅動程式，可以讓視窗應用程式來隨時讀取USB 裝置的內容或狀態。

（其實是作業系統一直在幫您把USB Device 提供的資料數據取回PC 端，讓您自己的

系統應用軟體程式可以很方便的從作業系統端讀取所需的資料！）

所以，之前就有人請版主幫忙提供一些平台，可以讓USB 這一種Plug and Play 的介面

輕鬆的建立在工業控制上...

理論來說：當然是可行的。但事情總不是像學校老師教的或學生作專題這麼簡單...

這些東西要用在工業控制上，他所要面臨的惡劣環境就是我們搞系統的不得不去面對

的棘手問題。

在工業上所常用的通訊介面是：RS485 ，他是一種差動訊號的方式，這一種差動訊號

對於環境的干擾會有比較好的抗雜訊能力；而理論上，USB 其實也是差動訊號傳輸方式，

（D＋/D-) 構成一組類似交流訊號的傳輸方式...所以，USB 的傳輸在某種程度上也是

有一定的抗干擾能力。但是USB 的傳輸並不像RS485 這麼簡單，因為USB 除了硬體

定義規格外，其實他還是有定義了傳輸介面複雜的通訊協定，每一組傳輸的數據都會

有PID ，SNYC...Data and CRC 等等...所以，在USB的傳輸線上，其實時時刻刻一直

充斥著資料傳輸內容，所以相對來說：USB 的傳輸是更有機率被環境因素所干擾的。

所以，當老師或您的老闆長官交代您來學USB時，您總以為只要把市面上買到的USB

開發平台買一塊回來寫寫  8051 韌體就可以交差了事了。

當然啊...當您從完全不懂USB 開始學，可以學到寫USB 韌體程式時，其實也已經

誠屬不易，搞不好，能拗到這個階段的...也幾乎令人刮目相看了，在學校實驗室裡或許

已經可以被尊稱學長師兄的...甚至到達所謂達人境界了。但實際上，真正要用一個規格

能做到許多當初規格所設想的許多情況，其實還有許多努力的空間的。

我們現在就舉這一個例子 ---萬一在USB 傳輸過程中『遭逢』惡劣外在環境干擾時，

他會發生什麼狀況？！這是在許多工業規格環境中常會遇到的情況。

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上圖就是一個USB HID 的Interrupt In Token 的傳輸過程，這是一個系統上一直Polling 的

使用情況....結果，在這個過程中，很不幸的發生傳輸錯誤，有可能是某一個 CRC 錯誤，

或是一個簡單的USB Bus Disturbance...造成USB Controller 的錯誤發生。

（也有可能造成PID 或SYNC 值不對...因為您永遠不知道環境干擾的發生點！）

結果：我們可以發現此時PC Host USB 會發出一個 Reset 訊號。其實，USB Reset

訊號對於USB Host 或USB Device ...都有資格或有機會發出Reset訊號，但一般來說：

大部分都由USB Host 發出比較多，因為重點是：當您發出Reset 訊號之後，您緊接著要

做什麼事是比較重要的。所以，我們可以上圖中，可以發現PC Host 在Reset 之後，

馬上作一個簡單的類似Get USB Device Description 的動作來確認您這個USB Device 還

有沒有還活著？！

如果是的話，他就會重新啟動您的傳輸介面設定：Clear Feature Endpint 1。

這代表在之前您的Endpoint 1 的傳輸有發生錯誤，我剛剛提到的有可能只是一個CRC 錯誤，

您不要以為在USB 規格裡那些CRC 檢查機制只是定義著好玩而已，他們也是有一定的

目的的...只是一般USB 書籍也不太會告訴您而已...因為這些參考書籍總不能過渡的打擊您的

學習信心而影響他們參考書籍的銷售量吧。

在完成Clear Feature （Endpoint 1）之後，理論上您的 Endpoint 1 就應該要恢復之前的正常

狀態，然後再繼續的往PC 端送出資料。----這一部份您的上層應用程式是不知道這件事的。

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問題就來了，如果您的上層應用程式不知道這一件事，那有沒有可能造成資料傳輸錯誤？！

Of Course...當然啊。而且您USB Device端韌體程式也可能會因這個過程影響您原本正常的

資料擷取與資料傳輸，甚至打亂您原本規劃好的韌體控制流程...進而造成USB device 端的

韌體程式在執行上的錯誤。譬如：不再傳輸了...對USB Protocol 來說：有沒有錯？！沒有。

因為您原本的USB 韌體的認知是：每固定時間要把擷取的資料往USB 的Endpoint 1 送，

後來被這一個USB Protocol的流程給打亂了...造成Endpoint 1 的NAK 產生...（因為一般

USB Controller 在硬體上會自動保護自己，避免資料傳輸衝突而被USB Host 給踢掉！）

我講過了 ：在USB 傳輸上您要用NAK 擋一輩子，沒有人說您不對！---這不是當機。

所以，當這一種問題產生與發生時，您的USB Device 端的韌體程式一定要做一定的

防護與重新啟動的機制，讓整個系統重新回復正常。

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對我來說：原本的原廠提供的範例程式當然沒有這一個防護機制，所以當如此問題發生時，

不是資料終止傳輸就是從此資料內容發生錯誤...當我們好好的把這樣子的過程利用USB

Device 端的韌體程式修正之後，就會回歸正常了。如下圖：

看到沒有：在重新Clear Feature 之後，Endpoint 1的Interrupt In Token 又正常的傳輸資料。

（但您有沒有注意到：其實我們USB Device 的Address 已經從原來Address =0x06 變成

Address = 0x08 了！）

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小結論：系統面臨外在環境干擾是在所難免的，硬體的防護措施還是有一定的極限，

與不可預期的結果。但有時軟體一定的自我保護與自我回復能力也是很重要的。

其實，在這一個實驗過程中，我本身發現：其實韌體的所能貢獻的是比硬體對策措施

還來的有效...因為畢竟硬體能做的不多，也比較沒彈性。譬如：在硬體上您無非只能

加抗干擾或保護元器件，或是增加硬體防護遮蔽（shield）機制等 ---

這些也都會增加硬體成本（當然啊這些硬體保護還是有一定效能的，是可以有效降低

類似問題發生的機率的！）。

所以啦，搞系統嘛！總不能設限是韌體或硬體工作嘛！把問題釐清與系統調整到最佳狀態

其實就是一個好的系統產品。尤其是講求高品質的工業規格要求的品質啊。

您說：對不對？！