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嵌入式USB主机/从机广播系统的计算机辅助学习系统
摘要：他的研究的目的是设计一种用于计算机辅助学习系统的嵌入式USB主机/从属广播系统，嵌入式USB主/从交换模块（EUHSSM）是在嵌入式USB主/从广播系统中开发的，包括USB主机芯片，USB从芯片和USB设备驱动程序，以扩展可用性—“一对多”，“一对一”，并且在信号切换方面表现优异，无需重新枚举USB键盘和鼠标，并可评估CALS中同时信号开关的有效性，另外，可以以三种操作模式实现EUHSSM：主机设备模式（从本地EUHSSM到远程EUHSSM的数据交换），通过模式（本地EUHSSM，独立PC操作）和从设备模式（从远程EUHSSM到本地EUHSSM的数据交换）。EUHSSM可以轻松与任何其他教室广播系统合作，提供最好的指令与USB键盘和USB鼠标交互式学习环境。
关键字—USB；计算机辅助学习系统；广播系统
1介绍
计算机辅助学习，或称为CAL，已被全世界公认为一种替代学习环境，促进教师和学生之间的互动学习。CAL实施已广泛应用于学术教室，涉及电气工程[1-3]气动学[4]和生物医学工程[5-6]，目的是提供有效的学习环境和增强学生的学习。计算机实验室教学平台[7]和计算机学习管理系统[8]是计算机辅助教室的例子，它结合了电子培训平台与广播，讲课和监测功能。
通常，计算机辅助学习系统（CALS）可以在软件或硬件应用中实现。事实上，兼容性和带宽限制以及USB键盘和鼠标电缆长度限制是目前基于软件和硬件的CALS的关注点。因此，该研究提出了用于CALS的嵌入式USB主机/从属广播系统，以实现最终的稳定性和质量。在本节中，研究人员首先介绍基于软件和硬件的CALS的优缺点，然后探讨当前设计的概念--USB主机和从机相结合。
随着USB接口的成熟发展，早期计算阶段用于驱动PS / 2接口的鼠标和键盘信号最近逐渐被USB接口取代。然而，限制仍然存在; 由于USB规范的约束，USB键盘和鼠标电缆的最大长度为5m [9]，在常规的50-60座位计算机实验室中难以达到整个学生计算机。为了解决这个问题，最近几乎没有公司开发了一个扩展的USB电缆长度，使用CAT / 5 / 5E / 6电缆可以传输长达100米的电缆[10-12]。特别是，CAT5 / 5E / 6电缆互连到两个扩展器（单元），本地扩展器（单元）和远程扩展器（单元）用于电缆扩展。本地扩展器连接到PC，需要USB从设备功能。对于远程扩展器（单元），其连接到远程USB键盘或USB鼠标，它必须具有USB主机设备功能。看起来，要延长USB电缆，集成USB主机和USB从机适用。然而，尽管在当前市场上有可用的可扩展USB电缆[10-12]，但它们仅限于一个本地PC到一个远程PC，所以在常规计算机中需要一个类似指导者的PC到类似五十或六十个远程学生的PC 实验室仍然不稳定。
因此，研究的目的是设计用于CALS的同时嵌入式USB主机/从属广播系统，其与嵌入式USB主机/从机交换模块（EUHSSM）集成以扩展可用性—“一对多”和“一对一”，目的是为了卓越的信号切换，以及评估CALS中同时信号开关的有效性。
2 方法
图1中描述了用于CALS的所提出的嵌入式USB主机/从属广播系统。嵌入式USB主机/从交换模块（EUHSSM），包括USB主机芯片和USB从芯片正在发展。每个PC通过USB电缆连接到EUHSSM的USB B型连接器。外部EUHSSM使用两个USB A型连接器链接到标准USB键盘和USB鼠标。整个EUHSSM随后通过RS-485连接，实现一对多翻译; 因此，主机或教师PC可以一次链接多达256个从机或学生PC。
图 1 嵌入式USB主机/从机广播系统框图
图 2 EUHSSM硬件结构框图
USB HID（人机交互）类主要由人用来控制计算机系统的操作的设备组成。HID（人机交互）类设备的典型示例包括USB键盘和USB鼠标。根据HID使用表[13]和人机接口设备（HID）[14]的设备类定义，USB键盘由7个字节组成，而USB鼠标由4个字节组成。USB主机芯片通常配有一个USB端口，以便连接USB键盘和USB鼠标; 应用具有两个USB扩展端口的USB HUB。
USB主机芯片通常配有一个USB端口，用于连接USB键盘和USB鼠标; 具有两个USB扩展端口的USB HUB应用。 因此，现在本地EUHSSM中的USB主机芯片需要链接到三个USB设备：USB HUB，USB键盘和USB鼠标; 同时，本地EUHSSM分别从USB键盘检索5字节数据，从USB鼠标检索4字节数据; 总共9字节数据,然后通过RS-485传输到远程EUHSSM。 为了方便远程EUHSSM传输到PC的9字节数据，与商业USB复合设备兼容的模拟USB复合设备用于携带9字节数据，并在Windows和Mac操作系统中提升。
此外，EUHSSM可以通过三种操作模式实现：主机设备模式（从本地EUHSSM到远程EUHSSM的数据切换），通过模式（本地EUHSSM，独立PC操作）和从设备模式（从远程EUHSSM到本地的数据切换EUHSSM)。用户可以方便地使用带2针GPIO的外部控制面板切换模式，使其适合任何特定要求。
3 系统的实现
如图1的框图所示。 2，EUHSSM由一个USB从芯片（AN2131，Cypress），一个USB主机芯片（SL811HS，Cypress），一个USB HUB芯片（AU9254，Alcor Micro）和一个RS-485 / RS-422收发器（MAX1485， 格言）。 在外部，EUHSSM连接到具有用于操作模式开关的2引脚GPIO的控制面板。
- USB从机芯片
在微型系统中，微控制器比微处理器更广泛地被接受，因为更简单的支持电路。 EUHSSM采用USB从芯片--EZ-USB微控制器（Cypress Semiconductors）AN2131。 EUHSSM使用USB HID中的控制数据传输和中断数据传输。 由于从属芯片是USB HID类，它只需要1.1版本的USB规范，因此在研究中采用了赛普拉斯的低成本代替，而不是最新的USB规范版本2.0。
B. USB主机芯片
SL811HS是一种嵌入式USB主机/从机控制器，可与全速或低速USB外设通讯。 SL811HS USB主机/从控制器包含USB串行接口功能以及内部全/低速收发器。 SL811HS以12 Mbps或低速1.5 Mbps模式支持和操作USB全速模式。
C. USB集线器控制器
AU9254是专为新兴行业标准USB设计的集成单芯片USB HUB控制器。 AU9254支持四个USB下行端口。 每个下游端口都有电源开关控制和过电流检测。 AU9254完全符合USB规范1.1版。 USB HUB设计符合USB Hub规范，版本1.1和具有嵌入式专有处理器的单芯片集成USB集线器控制器。 因此，一个标准的HUB被替换为与AU9254结合的USB HUB。 AU9254用于消耗两个USB端口，同时连接一个USB键盘和一个USB鼠标。
D.通讯接口
虽然RS-232串行接口通常用于连接到PC或微处理器，但它不能实现长期和多模式的网络要求。 因此，采用收发器（MAX1485）将RS-232接口扩展到RS-485串行接口。
RS485多接口采用半双工模式。 传输通道只能在半双工模式下使用两条线路进行操作。 阻抗匹配的终端电阻（120ȍ）设置为连接传输通道的起始点和终点。
IV. ņ原始方法和结果
如图所示。 3，在一个单独的电路板上制造了两个EUHSSM，以方便地与控制面板一起设置。
- 标准USB HID兼容试用版
为了证明EUHSSM的标准USB HID兼容性试验，使用两台PC，PC1和PC2进行测试，两台PC的比较功能如表1所示。 这些PC1和PC2安装在不同的操作系统中，以便测试EUHSSM，不受操作系统的限制。
图 3 单独的电路板上制造了两个EUHSSM的实物图
图 4 EUHSSM硬件结构框图
首先，在一对一测试中，我们使用USB电缆将一个EUHSSM连接到PC1，另一个EUHSSM连接到PC2，然后使用RS-485串行接口将这两个EUHSSM连接在一起。 然后两个EUHSSM与USB键盘WINTEK WK-820和USB鼠标相连，华硕M-UAE96都配有USB标志认证。
如图4所示，EUHSSM首先设置为Pass模式，PC1 Windows XP操作系统的计算机管理显示两个名为“HID键盘设备”和“HID投诉鼠标”的设备。 此外，还显示了具有USB鼠标和USB键盘的设备 - “USB复合设备”。 类似地，PC2 Linux操作系统的计算机管理显示一个名为“USB键盘”和“USB鼠标”的设备。
B.开关速度试验
为了证明EUHSSM的性能，同类产品 - DVI KVMP Switch（ATEN GCS1762 Taiwan）和USB KVM切换器（ATEN CS-102U台湾）用于比较结果。 DVI KVMP交换机允许用户从单个USB键盘，USB鼠标和显示器访问两台计算机。 GCS1762的功能包括双功能KVMP / USB开关，一个控制台控制2台计算机，KVMP和外围USB /音频端口的独立（异步）切换，完全符合USB 1.1规范 - 支持高达12 Mbps的传输速率。
三种设备的差异 - EUHSSM，DVI KVMP交换机和KVM切换器如表1所示，包括每个设备中USB键盘和USB鼠标的切换方法，以及PC1操作系统中USB设备的列举。
USB 2.0协议分析仪USB Explorer 200 Ellisys用于测量EUHSSM，DVI KVMP交换机和KVM切换器上的USB键盘和鼠标信号开关的速度。 速度计算基于USB键盘和USB鼠标的计时时间。 枚举时间由USB键盘和USB鼠标的硬件开关决定，直到完成USB控制传输。
首先，测量USB设备枚举从三个设备中将USB键盘和鼠标连接到PC1的持续时间。 二，测试DVI KVMP Switch和KVM Switch PC1的PC1gt; PC2的速度试验。 然后，测量DVI KVMP和KVM切换器的PC2-gt; PC1的速度试验。 同时，EUHSSM在PC1中测试从PASS模式切换到Slave模式的切换速度。
第一个枚举比较结果如图 5（a）显示，由于较少的枚举过程，只有USB复合材料，EUHSSM更具有时间竞争力，仅仅是设备USB键盘和USB鼠标。 因此，它比DVI KVMP Switch和KVM Switch更快。
图5（b）显示了三个设备的USB键盘和USB鼠标切换时间（PC1-gt; PC2）的第一个比较结果。 结果表明，EUHSSM的切换时间等于0毫秒，因为它没有重新计数。 但是，DVI KVMP交换机和KVM切换器需要重新枚举设备，因此需要等待时间。
图5（c）显示了三个设备的USB键盘和USB鼠标切换时间（PC2-gt; PC1）的第二个比较结果。 结果表明，EUHSSM在信号交换中的耗时少于其他两个设备。 EUHSSM的切换性能几乎同时进行。 关于DVI KVMP开关，它由固件切换操作，开关速率约为0.2 ms。 当测试在这些不同的PC中运行时，测试数字可能会出现轻微的差异，但总体性能仍然一致。
4 结论
标准USB HID兼容试用和切换速度试验结果表明，嵌入式USB主机/从机广播系统满足或超过了现代转换和广播标准USB信号的现代要求。 此外，具有2针控制面板的嵌入式USB主机/从机广播系统实现了三种操作模式：主机设备模式（从本地EUHSSM到远程EUHSSM的数据切换），通过模式（本地EUHSSM，独立PC操作）和从设备 模式（从远程EUHSSM到本地EUHSSM的数据切换）。
具有多个EUHSSM的嵌入式USB主机/从机广播系统不仅提供了快速的USB信号开关和远程USB传输。 系统中的USB信号开关几乎同时进行; 没有重新枚举设备。 总体而言，系统试验证实，设计的系统比商业KVM设备执行得更好，易于与不同的CAL系统集成。
图 5（a） 三台设备的第一个设备枚举比较结果
图 5（b） USB键盘和USB鼠标切换时间（PC1-gt; PC2）的三个设备的第一个比较结果
图 5（c） USB键盘和USB鼠标切换时间（PC2-gt; PC1）的三个设备的第二个比较结果
总而言之，嵌入式USB主机/从属广播系统在性能，选项，成本和易用性方面几乎在各方面都优于现有的设备。 这个新开发的设备有潜力大大帮助教练。
致谢
这项工作得到教育部根据第98E-43-274号合同的支持。
参考文献
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- D.T. Lwin, P. Chua, B.J. Stone, IEEE 1st Int. Conf. Multi-Media Engineering Education Proc., (1994) 256–262.
- L.L. Lai, IEEE Trans. Education, 38 (1995)217–222.
-
L.F. Kwok, K.H. Y
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