ผลต่างระหว่างรุ่นของ "การติดต่อกับบอร์ด MCU ผ่าน USB ด้วย Arduino"

จาก Theory Wiki
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
แถว 58: แถว 58:
 
</syntaxhighlight>
 
</syntaxhighlight>
 
* เนื่องจาก Arduino IDE ยังไม่สามารถคอมไพล์โค้ดที่เรียกใช้งานไลบรารี V-USB โดยตรงได้ ให้คอมไพล์เฟิร์มแวร์ด้วย Arduino-Makefile โดยการสร้างไฟล์ <tt>Makefile</tt> ไว้ในที่เดียวกันกับที่เก็บ Arduino Sketch แล้วเรียกใช้คำสั่ง <tt>make</tt> หรือ <tt>make ispload</tt> จากเทอร์มินัล
 
* เนื่องจาก Arduino IDE ยังไม่สามารถคอมไพล์โค้ดที่เรียกใช้งานไลบรารี V-USB โดยตรงได้ ให้คอมไพล์เฟิร์มแวร์ด้วย Arduino-Makefile โดยการสร้างไฟล์ <tt>Makefile</tt> ไว้ในที่เดียวกันกับที่เก็บ Arduino Sketch แล้วเรียกใช้คำสั่ง <tt>make</tt> หรือ <tt>make ispload</tt> จากเทอร์มินัล
 +
 +
== โครงสร้างของคำร้องขอ USB ที่รับจากฝั่งคอมพิวเตอร์ ==
 +
ตามสถาปัตยกรรม USB นั้นการสื่อสารจะถูกเริ่มจากการที่ฝั่งคอมพิวเตอร์ (ฝั่งโฮสท์) ส่งคำร้องขอไปยังฝั่งอุปกรณ์เสมอไม่ว่าจะต้องการอ่านหรือเขียนข้อมูลไปยังอุปกรณ์ USB ก็ตาม ข้อมูลคำร้องขอมีโครงสร้างดังนี้ (นิยามโครงสร้างนี้เป็นส่วนหนึ่งของไลบรารี V-USB จึงไม่ต้องเขียนขึ้นมาเอง)
 +
<syntaxhighlight lang="C">
 +
typedef struct usbRequest{
 +
    uchar      bmRequestType;  /* 1 ไบท์ */
 +
    uchar      bRequest;      /* 1 ไบท์ */
 +
    usbWord_t  wValue;        /* 2 ไบท์ */
 +
    usbWord_t  wIndex;        /* 2 ไบท์ */
 +
    usbWord_t  wLength;        /* 2 ไบท์ */
 +
}usbRequest_t;
 +
</syntaxhighlight>
 +
* <code>bmRequestType</code> ประกอบด้วยฟิลด์ย่อย 3 ฟิลด์ดังต่อไปนี้
 +
:* บิต 7 ทิศทางการส่งข้อมูล (Data Phase Transfer Direction)
 +
::* 0 = จากคอมพิวเตอร์ไปอุปกรณ์ USB (Host to Device)
 +
::* 1 = จากอุปกรณ์ USB มายังคอมพิวเตอร์ (Device to Host)
 +
:* บิต 6..5 ประเภทคำร้องขอ (Type)
 +
::* 0 = Standard
 +
::* 1 = Class
 +
::* 2 = Vendor
 +
::ฟังก์ชัน <code>usbFunctionSetup</code> ที่เราต้องเขียนขึ้นนั้นจะถูกเรียกใช้เมื่อค่าในฟิลด์ Type นี้มีค่า 2 (Vendor) เท่านั้น
 +
:* บิต 4..0 ผู้รับ (Recipient)
 +
::* 0 = Device
 +
::* 1 = Interface
 +
::* 2 = Endpoint
 +
::* 3 = Other
 +
* <code>bRequest</code> ระบุหมายเลขคำร้องขอ คำร้องขอตามมาตรฐานของ USB นั้นมีประเภทเป็น Standard ซึ่งจะถูกประมวลผลจากไลบรารี V-USB อัตโนมัติ เราจึงไม่ต้องสนใจในส่วนนี้ ส่วนที่เราต้องรับผิดชอบคือคำร้องขอแบบ Vendor ซึ่งต้องถูกออกแบบไว้ล่วงหน้าแล้วว่าอุปกรณ์ USB ของเราจะรองรับคำร้องขอหมายเลขอะไรบ้าง โดยในฟังก์ชัน <code>usbFunctionSetup</code> ของเราต้องประมวลผลคำร้องขอเหล่านี้ได้ถูกต้อง
 +
* <code>wValue</code> และ <code>wIndex</code> ทั้งคู่เป็นฟิลด์ที่ไม่มีความหมายใดในกรณีที่คำร้องขอเป็นแบบ Vendor ดังนั้นเราจึงมีอิสระเต็มที่ในการใช้งานฟิลด์ทั้งคู่นี้เป็นตัวส่งรายละเอียดของคำร้องขอ ซึ่งส่งได้สูงสุด 4 ไบท์
 +
* <code>wLength</code> กำหนดขนาดของข้อมูลเพิ่มเติมที่จะส่งจากฝั่งโฮสท์หรือจากอุปกรณ์ USB หากไม่มีข้อมูลเพิ่มเติม ค่านี้จะถูกเซ็ตเป็นศูนย์
 +
 +
ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้จาก [http://www.beyondlogic.org/usbnutshell/usb6.htm USB in a NutShell]
  
 
==ตัวอย่างโปรแกรม==
 
==ตัวอย่างโปรแกรม==
แถว 66: แถว 97:
  
 
===แอพลิเคชันฝั่งโฮสท์===
 
===แอพลิเคชันฝั่งโฮสท์===
 
  
 
== เกี่ยวกับหมายเลข VID/PID ==
 
== เกี่ยวกับหมายเลข VID/PID ==

รุ่นแก้ไขเมื่อ 09:18, 2 พฤศจิกายน 2557

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223

ที่ผ่านมานั้นเราใช้พอร์ท USB เป็นเพียงแหล่งจ่ายพลังงานและโปรแกรมเฟิร์มแวร์เท่านั้น วิกินี้อธิบายถึงขั้นตอนและตัวอย่างการพัฒนาเฟิร์มแวร์ภายใต้สภาพแวดล้อมของ Arduino เพื่อให้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์จำลองตัวเองเป็นอุปกรณ์ USB ความเร็วต่ำ สำหรับสื่อสารกับแอพลิเคชันที่ทำงานบนเครื่องคอมพิวเตอร์ได้

ไลบรารีและเครื่องมือที่จำเป็น

ให้แน่ใจว่าได้ติดตั้งไลบรารีและเครื่องมือที่จำเป็นตามที่ได้อธิบายไว้ในวิกิด้านล่าง ก่อนเริ่มทำตามขั้นตอนในวิกินี้

การใช้งานไลบรารี V-USB

การเขียนโค้ดเพื่อเรียกใช้งานไลบรารี V-USB ภายใต้สภาพแวดล้อมของ Arduino มีขั้นตอนหลัก ๆ ดังนี้

  • สร้างไฟล์ usbconfig.h เพื่อบอกไลบรารี V-USB ถึงคุณลักษณะของอุปกรณ์ USB ที่เราต้องการให้บอร์ด MCU จำลองตัวเองขึ้นมา เนื่องจากการตั้งค่าต่าง ๆ ถูกระบุไว้ในรูปมาโครเป็นจำนวนมาก วิธีที่สะดวกและเสี่ยงต่อความผิดพลาดน้อยที่สุดคือคัดลอกเนื้อหามาจากไฟล์ usbconfig-prototype.h ที่อยู่ในไดเรคตอรี usbdrv ที่ได้จากการติดตั้ง V-USB ตามขั้นตอนก่อนหน้านี้ การตั้งค่าหลัก ๆ ที่สำคัญได้แก่
    • USB_CFG_VENDOR_ID และ USB_CFG_DEVICE_ID ใช้กำหนดค่า Vendor ID (VID) และ Product ID (PID) ให้กับอุปกรณ์ USB ตัวเลขคู่นี้จะถูกตีความโดยระบบปฏิบัติการว่าเป็นอุปกรณ์ USB ประเภทใด เช่นเครื่องพิมพ์ เมาส์ คียบอร์ด ฯลฯ เพื่อที่ตัวระบบปฏิบัติการจะได้จัดหาตัวขับเคลื่อนอุปกรณ์ (device driver) มาใช้งานได้อย่างเหมาะสม ในตัวอย่างนี้มีการกำหนดค่า VID และ PID ให้เป็น 0x16c0 และ 0x05dc ตามลำดับ ซึ่งเป็นการไม่ระบุประเภทอุปกรณ์ ดูข้อมูลเพิ่มเติมจากหัวข้อ #เกี่ยวกับหมายเลข VID/PID
    • USB_CFG_VENDOR_NAME ใช้กำหนดชื่อผู้ผลิตอุปกรณ์ที่จะปรากฏให้เห็นผ่านระบบปฏิบัติการ ระบุในรูปรายการอักขระคั่นด้วยคอมม่า พร้อมทั้งระบุความยาวชื่อให้กับมาโคร USB_CFG_VENDOR_NAME_LEN ในที่นี้เราจะกำหนดชื่อผู้ผลิตเป็น cpe.ku.ac.th เพื่อให้สอดคล้องกับแนวปฏิบัติของไลบรารี V-USB
    • USB_CFG_DEVICE_NAME ใช้กำหนดชื่อของอุปกรณ์ที่จะปรากฏให้เห็นผ่านระบบปฏิบัติการ ระบุในรูปรายการอักขระคั่นด้วยคอมม่า พร้อมทั้งระบุความยาวชื่อให้กับมาโคร USB_CFG_DEVICE_NAME_LEN ในที่นี้ให้กำหนดชื่อในรูป ID xxxxxxxxxx โดยที่ xxxxxxxxxx แทนรหัสนิสิตของตน
  • สร้าง Arduino Sketch ขึ้นมาใหม่ แล้วพิมพ์คำสั่งต่อไปนี้ที่ส่วนหัวของไฟล์
extern "C" {
#include "usbdrv.h"
}
คำสั่งข้างต้นเป็นการเรียกไลบรารี V-USB มาใช้งาน แต่เนื่องจากไลบรารี V-USB ออกแบบไว้ใช้กับภาษา C ในขณะที่โค้ด Arduino เป็นภาษา C++ จึงต้องครอบไว้ด้วยคำสั่ง extern ดังที่เห็น
  • นิยามฟังก์ชัน setup() เพื่อกำหนดหน้าที่ของขาอินพุทเอาท์พุทตามปกติ และเพิ่มโค้ดสำหรับสั่งไลบรารี V-USB ให้เตรียมการเบื้องต้นลงไปด้วยดังนี้
void setup()
{
  // ตั้งค่าอินพุท/เอาท์พุทตามปกติ
  // :

  // สั่งให้ V-USB เตรียมตัวขั้นต้น
  usbInit();
  usbDeviceDisconnect();
  delay(300);
  usbDeviceConnect();
}
  • นิยามฟังก์ชัน loop() ให้มีการเรียกใช้ฟังก์ชัน usbPoll() ของไลบรารี V-USB โดยให้แน่ใจว่าฟังก์ชันนี้ต้องถูกเรียกซ้ำ ๆ ภายในระยะเวลาไม่เกิน 50 มิลลิวินาทีอย่างต่อเนื่อง ไม่เช่นนั้นอุปกรณ์จะตอบสนองต่อคำร้องขอจากโฮสท์ไม่ทันและมีผลทำให้โฮสท์ตัดการเชื่อมต่อในที่สุด
void loop()
{
  // ประมวลผลตามต้องการ แต่ต้องให้แล้วเสร็จภายใน 50 มิลลิวินาที
  // :

  // สั่ง V-USB ให้เฝ้าดูสัญญาณการร้องขอจากโฮสท์
  usbPoll();
}
  • เมื่อพบว่ามีคำร้องขอจากโฮสท์ ไลบรารี V-USB จะเรียกหาฟังก์ชัน usbFunctionSetup() เพื่อประมวลผลคำร้องขอนั้น เป็นหน้าที่ของเราที่ต้องสร้างฟังก์ชันนี้ขึ้นมา
usbMsgLen_t usbFunctionSetup(uint8_t data[8])
{
  usbRequest_t *rq = (usbRequest_t*)data;

  // ประมวลผลข้อมูลภายในคำร้องขอผ่านทางตัวแปร rq
  // :
}
  • เนื่องจาก Arduino IDE ยังไม่สามารถคอมไพล์โค้ดที่เรียกใช้งานไลบรารี V-USB โดยตรงได้ ให้คอมไพล์เฟิร์มแวร์ด้วย Arduino-Makefile โดยการสร้างไฟล์ Makefile ไว้ในที่เดียวกันกับที่เก็บ Arduino Sketch แล้วเรียกใช้คำสั่ง make หรือ make ispload จากเทอร์มินัล

โครงสร้างของคำร้องขอ USB ที่รับจากฝั่งคอมพิวเตอร์

ตามสถาปัตยกรรม USB นั้นการสื่อสารจะถูกเริ่มจากการที่ฝั่งคอมพิวเตอร์ (ฝั่งโฮสท์) ส่งคำร้องขอไปยังฝั่งอุปกรณ์เสมอไม่ว่าจะต้องการอ่านหรือเขียนข้อมูลไปยังอุปกรณ์ USB ก็ตาม ข้อมูลคำร้องขอมีโครงสร้างดังนี้ (นิยามโครงสร้างนี้เป็นส่วนหนึ่งของไลบรารี V-USB จึงไม่ต้องเขียนขึ้นมาเอง)

typedef struct usbRequest{
    uchar       bmRequestType;  /* 1 ไบท์ */
    uchar       bRequest;       /* 1 ไบท์ */
    usbWord_t   wValue;         /* 2 ไบท์ */
    usbWord_t   wIndex;         /* 2 ไบท์ */
    usbWord_t   wLength;        /* 2 ไบท์ */
}usbRequest_t;
  • bmRequestType ประกอบด้วยฟิลด์ย่อย 3 ฟิลด์ดังต่อไปนี้
  • บิต 7 ทิศทางการส่งข้อมูล (Data Phase Transfer Direction)
  • 0 = จากคอมพิวเตอร์ไปอุปกรณ์ USB (Host to Device)
  • 1 = จากอุปกรณ์ USB มายังคอมพิวเตอร์ (Device to Host)
  • บิต 6..5 ประเภทคำร้องขอ (Type)
  • 0 = Standard
  • 1 = Class
  • 2 = Vendor
ฟังก์ชัน usbFunctionSetup ที่เราต้องเขียนขึ้นนั้นจะถูกเรียกใช้เมื่อค่าในฟิลด์ Type นี้มีค่า 2 (Vendor) เท่านั้น
  • บิต 4..0 ผู้รับ (Recipient)
  • 0 = Device
  • 1 = Interface
  • 2 = Endpoint
  • 3 = Other
  • bRequest ระบุหมายเลขคำร้องขอ คำร้องขอตามมาตรฐานของ USB นั้นมีประเภทเป็น Standard ซึ่งจะถูกประมวลผลจากไลบรารี V-USB อัตโนมัติ เราจึงไม่ต้องสนใจในส่วนนี้ ส่วนที่เราต้องรับผิดชอบคือคำร้องขอแบบ Vendor ซึ่งต้องถูกออกแบบไว้ล่วงหน้าแล้วว่าอุปกรณ์ USB ของเราจะรองรับคำร้องขอหมายเลขอะไรบ้าง โดยในฟังก์ชัน usbFunctionSetup ของเราต้องประมวลผลคำร้องขอเหล่านี้ได้ถูกต้อง
  • wValue และ wIndex ทั้งคู่เป็นฟิลด์ที่ไม่มีความหมายใดในกรณีที่คำร้องขอเป็นแบบ Vendor ดังนั้นเราจึงมีอิสระเต็มที่ในการใช้งานฟิลด์ทั้งคู่นี้เป็นตัวส่งรายละเอียดของคำร้องขอ ซึ่งส่งได้สูงสุด 4 ไบท์
  • wLength กำหนดขนาดของข้อมูลเพิ่มเติมที่จะส่งจากฝั่งโฮสท์หรือจากอุปกรณ์ USB หากไม่มีข้อมูลเพิ่มเติม ค่านี้จะถูกเซ็ตเป็นศูนย์

ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้จาก USB in a NutShell

ตัวอย่างโปรแกรม

ดาวน์โหลดตัวอย่างโปรแกรม usb_generic.tgz แล้วแตกเอาไว้ในไดเรคตอรีที่เก็บ sketch ของ Arduino

เฟิร์มแวร์สำหรับฝั่งดีไวซ์

ซอร์สโค้ดหลัก

แอพลิเคชันฝั่งโฮสท์

เกี่ยวกับหมายเลข VID/PID

ชุดตัวเลข VID/PID ที่กำหนดให้กับอุปกรณ์ USB ไม่ควรตั้งเอาเองตามใจชอบเนื่องจากระบบปฏิบัติการจะอาศัยตัวเลขคู่นี้ในการเลือกซอฟต์แวร์ไดรเวอร์ที่จะมาควบคุมอุปกรณ์ โดยทั่วไปการจะได้มาซึ่งเลข VID/PID เพื่อใช้กับอุปกรณ์ที่เราสร้างขึ้นจำเป็นต้องสมัครเป็นสมาชิกของ USB Implementers Forum (ค่าสมาชิกปีละ 4,000 เหรียญสหรัฐ) หรือซื้อตัวเลข VID มาจากผู้ที่เป็นสมาชิกอีกทีหนึ่ง

อย่างไรก็ตาม Object Development ผู้พัฒนาไลบรารี V-USB ได้เตรียมชุดตัวเลข VID/PID ไว้ให้เราใช้งานโดยไม่เสียค่าใช้จ่าย ค่า 16C0:xxxx ที่เราเลือกนำมาใช้งานก็ได้มาจากตัวเลขในชุดดังกล่าว รายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกำหนดค่า VID และ PID ให้กับอุปกรณ์ USB รวมถึงหลักเกณฑ์การปฏิบัติในการผลิตอุปกรณ์ USB สู่สาธารณะ สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากเนื้อหาในไฟล์ USB-ID-FAQ.txt และไฟล์ USB-IDs-for-free.txt ในไดเรคตอรี usbdrv ที่ได้จากการติดตั้งไลบรารี V-USB รวมถึงเอกสาร How to obtain an USB VID/PID for your project