基于Qt实现USB CDC便携式设备串口通信客户端设计

摘要：为实现上位机Linux系统的Qt应用程序与下位机USB CDC便携式设备之间的串口通信，本课题采用USB CDC类协议，并根据协议在Linux下编写设备驱动程序，同时，搭建Linux-QT应用平台利用QT可视化的图形界面及丰富的图形库，设计并制作上位机应用程序图形界面，并根据Linux下串口通信的应用层协议，最终实现了在QT界面上实时显示便携式设备的数据、状态和控制便携式设备。该方法简单、可靠、便于实际工程应用，解决了安装有Linux操作系统的上位机用户与便携式设备通信不方便的问题。因此，本课题对USB CDC便携式设备用户来说将有广阔的应用前景。

引言

近年来，随着电子科技的进步和高新技术的不断涌现，不少设备的技术性能越来越好，体积也越来越小，易于搬运和携带。具有USB接口的便携式设备已经走进了人们的生活。在众多USB产品中，有这样一类USB设备广泛应用于我们的生产和生活中——使用USB CDC类协议的设备，然而对于Linux下使用此类设备的用户来讲，几乎不可用的。因此，需要根据CDC类通信协议编写设备驱动程序，以使用户实现与USB CDC类设备的数据通信。同时，在上位机环境下，利用QT软件设计实现CDC类设备串口通信应用程序，这样用户就可以轻松、方便地监视设备的当前状态和控制设备行为。

另外，Linux是一个完全免费和基于UNIX和POSIX的用户、多任务、支持多进程线程和多核的操作系统，它具有完全兼容POSIX1.0标准、良好的界面、独特的组织架构等特点。尤其是它配以拥有多种应用库的QT软件，使得本CDC类设备串口通信应用程序设计简单，成本低廉，非常适合于推广和应用。

1 USB和USB CDC协议

1.1 USB接口简介

通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)是计算机连接外部设备装置的一个高速串行通信协议标准，如今USB2.0已广泛地应用在计算机上，同时也扩展到了家用机顶盒和游戏机上。另外，补充标准On-The-Go(OTG)使USB设备间能够独立地进行数据交换。USB的出现大大简化了计算机和其它设备的数据通信，增强了计算机的扩展性，因而得到大范围推广[^1-2] 。

通信接口是便携式设备必备的对外功能模块之一。由于现今设备的多功能特点，造成数据传送量呈几何级数地增加，过去的通信协议标准如串口通信协议RS-232、并行通信接口协议LPT等存在传输速度低、误码率高、数据常常丢失等问题[3]，已不能满足社会发展的需求。可以看出，USB接口在便携式设备上出现是一种必然趋势。

1.2 CDC 类简介

USB通讯协议组织制定了三个类：通信设备类、通信接口类和数据接口类。通讯设备类是一种设备级别的定义，主机用该协议识别外部设备可以表现出的不同接口类型。通信接口类定义了一种可以使能USB上的所有类型的通信服务的通用机制。数据接口类定义了一种通用机制，当数据不能满足其它通信类的要求时，能使USB完成块数据或者同步传输功能。其中，USB CDC类是由通信接口类和数据接口类组合而成。针对不同的USB通信设备，CDC类又被分成以下三个模式：传统纯电话业务模式、 ISDN模式和网络模式。而传统纯电话业务模式可分为Direct Line Control Model、ACM(Abstract Control Model)和USB Telephone Model。本文所讨论的便携式设备串口通信就属于USB 传统纯电话业务下的ACM模式^[4-5] 。

1.3 CDC 类协议通信原理和接口函数

USB CDC类协议所描述的USB CDC类设备首先像一般的USB设备被USB Core所识别和描述，其次将信息上传至更高层协议，也就是tty协议层，最后通过线路规程的方式，将tty协议层和usb协议层结合使用，完成CDC类设备通信，即tty协议层负责应用程序串口通信，usb协议层负责CDC类设备的识别、描述和通信^[9-10] ，如图1所示。

本文中开发的设备驱动涉及的主要接口函数和过程如下：首先，当CDC类设备接入USB接口时，利用初始化函数acm_init(void)初始化设备，再由探针函数acm_probe()对接入的设备识别检测;其次，设备控制中断函数acm_ctrl_irq()发出中断，请求数据读写，其中数据读写函数为：批量块传输读函数acm_read_bulk()、批量块传输写函数acm_write_bulk();再次，打开tty协议层设备，并进行数据通信，主要是以下五个函数：打开tty设备函数acm_tty_open()、关闭函数acm_tty_close()、写函数acm_tty_write()、中断控制函数acm_tty_break_ctl()和IO控制函数acm_tty_ioctl();最后，需要有设备驱动的销毁和退出函数：acm_disconnect()、acm_exit(void)。

2 QT软件介绍及其界面设计

2.1 QT软件简介

Qt是1991年由奇趣科技开发的一个跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，它提供给应用程