摘要 利用USB主控制器控制U盤作為數(shù)據采集系統(tǒng)的移動存儲器。該設計基于USB主/從控制芯片CH375S，遵守大容量存儲設備類規(guī)范中的BulkOnly和UFI子規(guī)范，支持FAT16文件系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據采集系統(tǒng)中可用U盤進行數(shù)據存儲，方便與計算機交互；配合液晶和外擴鍵盤，可以完全拋開PC，實現(xiàn)采集數(shù)據的實時顯示和指定存儲區(qū)域內數(shù)據的查看。
關鍵詞  CH375S  USB-Host  數(shù)據采集系統(tǒng)  Mass-Storage類  FAT16 文件系統(tǒng)

引言

　　隨著移動數(shù)據存儲領域的日益擴大，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)USB主機功能，以實現(xiàn)利用USB存儲設備進行數(shù)據存儲的需求變得日益迫切。U盤作為新型移動存儲設備，以體積小、速度高、抗震動、通用性強的特點倍受青睞，因此，在數(shù)據采集系統(tǒng)中開發(fā)出嵌入式USB主機控制U盤作為數(shù)據存儲器，將具有良好的實用價值和應用前景。

1  USB大容量存儲設備協(xié)議分析

　　基于USB的大容量數(shù)據采集系統(tǒng)的設計，主要是要實現(xiàn)嵌入式USBHost。要想設計出能直接讀寫U盤的嵌入式USBHost，就必須理解USB大容量存儲設備協(xié)議。目前USB大容量存儲設備軟件結構如圖1所示。
          

圖1  USB大容量存儲設備軟件結構示意圖

　　圖1中，虛線左邊部分是主機的驅動程序結構，也是嵌入式USBHost所要實現(xiàn)的。左邊最頂層是FAT文件系統(tǒng)層API ，用于提供給用戶訪問存儲設備的方法。U盤中的數(shù)據都是以文件格式存儲的，F(xiàn)AT16因具有高度兼容性而被廣泛應用于移動存儲設備中。這里簡要分析一下FAT16文件系統(tǒng)結構和存儲空間的組織原則。

（1）  FAT16文件系統(tǒng)結構

　　FAT格式的磁盤大致可以分5個部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū)。
　　MBR區(qū)： 又稱主引導記錄，其后為64字節(jié)的DPT（Disk Partition Table，磁盤分區(qū)表）。由于不需要從U盤啟動，且U盤就一個分區(qū)，所以U盤上沒有這個數(shù)據區(qū)。
　　DBR區(qū)： 即操作系統(tǒng)引導記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512字節(jié)，由跳轉指令、BPB、結束標志幾部分組成。
　　FAT 區(qū)： 存放文件分配表。文件分配表是一一對應于數(shù)據區(qū)簇號的列表,反映了所有簇的使用情況。每個表項單元的大小決定了FAT的類型,比如FAT16的表項單元為16位。FAT表一般都有一個備份。
　　FDT區(qū)： 存放著文件目錄表,位于備份FAT表之后。FDT由32位的目錄項線性構成,記錄著根目錄下每個文件（子目錄）的起始單元、屬性等。FDT大小為32個扇區(qū)，最多可以保存512個目錄項。
　　DATA區(qū)： 是真正意義上的數(shù)據存儲的地方，位于FDT之后,占據硬盤上的大部分數(shù)據空間。

（2）  FAT16的存儲空間組織原則

　　當磁盤空間格式化為FAT分區(qū)時，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)就將這個分區(qū)當成整塊可分配的區(qū)域進行規(guī)劃，以便數(shù)據的存儲。FAT將磁盤空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進行劃分，這樣的單位稱為簇。通常情況下,每扇區(qū)512字節(jié)的原則是不變的。簇的大小一般是2n(n為整數(shù))個扇區(qū)的大小（每個簇的最大存儲空間為32 KB）。一般采用邏輯塊LBA（Logical Block Addressing）尋址方式。

　　圖1虛線左邊中間的UFI/ATA驅動層將應用程序的訪問轉換成UFI或ATA命令/數(shù)據格式，與外部存儲設備之間按照子規(guī)范UFI或ATA的定義進行命令/狀態(tài)/數(shù)據的交換；最底層則是USB傳輸驅動，負責將上層的UFI/ATA數(shù)據發(fā)送到USB總線上以及接收從存儲設備返回的狀態(tài)/數(shù)據。CBI/BulkOnly/ATA/UFI是USB Mass Storage類規(guī)范中4個獨立的子類規(guī)范的簡稱。前兩個子規(guī)范定義了數(shù)據/命令/狀態(tài)在USB上的傳輸方法。BulkOnly傳輸規(guī)范僅使用Bulk端點傳送數(shù)據/命令/狀態(tài)，CBI傳輸規(guī)范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點進行數(shù)據/命令/狀態(tài)傳送。后兩個子規(guī)范則定義了存儲介質的操作命令。ATA命令規(guī)范用于硬盤，UFI命令規(guī)范是針對USB移動存儲而制定的。

2  嵌入式USB-Host設計

2.1  硬件設計

　　系統(tǒng)采用增強型8051內核的單片機STC89C516RD+作為中央處理芯片，選用南京沁恒電子公司的CH375S作為USB主機控制芯片。

　　STC89C516RD+具有64 KB的Flash程序存儲器，1 280字節(jié)的RAM（256字節(jié)的內部RAM和1 KB的外部RAM），支持在系統(tǒng)/在應用可編程(ISP，IAP)；CH375S是一款符合USB1.1協(xié)議規(guī)范的USB總線的通用接口芯片，支持USBHost主機方式和USBDevice/Slave設備方式。CH375S具有8位數(shù)據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，因此CH375S作全速USBHost 主機接口時，外圍元器件只需要晶振和電容,就可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。考慮到讀/寫U盤或移動硬盤時一般都是以扇區(qū)模式進行的，所以要加磁盤數(shù)據緩沖區(qū)和文件數(shù)據緩沖區(qū)（都是512字節(jié)的整數(shù)倍），并且緩沖區(qū)越大，執(zhí)行的效率越高，所以外擴了32 KB的RAM。

　　USB-Host電路如圖2所示。

　　在圖2中，CH375S芯片的RD和WR可以分別連接到單片機的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS可以直接由單片機I/O腳驅動。INT輸出的中斷請求是低電平有效，可以連接到單片機的中斷輸入引腳或者普通I/O 引腳；單片機可以使用中斷方式或者查詢方式獲知中斷請求。這里用中斷方式，使用單片機的INTO。

　　當WR為高電平并且CS和RD及A0 都為低電平時，CH375S中的數(shù)據通過D7～D0輸出；當RD為高電平并且CS和WR及A0 都為低電平時，D7～D0上的數(shù)據被寫入CH375S 芯片中；當RD為高電平并且CS和WR都為低電平而A0為高電平時，D7～D0上的數(shù)據被作為命令碼寫入CH375S芯片中。

2.2  軟件設計

　　CH375S不僅是一個通用的USBHost 硬件接口芯片，而且還內置了控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器和處理MassStorage海量存儲設備的專用通信協(xié)議固件，支持Bulk?Only傳輸協(xié)議和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB 存儲設備,簡化常用的控制傳輸。參考圖1，單片機程序主要是構建FAT文件系統(tǒng)。

　　設計文件系統(tǒng)，就是在指定的存儲介質上，選擇一種或幾種數(shù)據組織方式，實現(xiàn)常用的幾個文件API函數(shù)功能，最終實現(xiàn)數(shù)據的按名存取。

　　從第一個分區(qū)數(shù)據結構的分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)的位置讀取512字節(jié)，為DBR，包括一個引導程序和BPB參數(shù)塊。BPB參數(shù)塊記錄本分區(qū)的起始扇區(qū)、結束扇區(qū)、文件存儲格式、介質描述符、根目錄項數(shù)、FAT個數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)和分配單元的大小等重要參數(shù)。

　　根據保留扇區(qū)的數(shù)目可知FAT表的位置(分區(qū)起始扇區(qū)數(shù)+保留扇區(qū)數(shù))。根據FAT的個數(shù)以及每個FAT表占用的扇區(qū)數(shù),即可算出FDT的位置(FAT表位置+FAT表個數(shù)×FAT表所占扇區(qū)數(shù))。FDT中保存著目錄項,目錄項中的文件首簇號就是讀/寫文件的入口。

　　根據以上分析，即可設計如下文件操作：

　?、? 創(chuàng)建文件。在FDT中申請新目錄項。
　?、? 寫文件。當寫一新文件時，需在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫入文件對應目錄數(shù)據結構中的起始簇號位置。當此文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應的起始簇號位置填入下一可用簇的簇號，直到文件的最后一簇（FAT表中的相應位置填FFFF）。若磁盤有備份FAT，則須在備份FAT表的相應位置填入正確的內容。
　?、? 刪除文件。除了將FDT中對應的目錄項置相應標志外，還要修改FAT表及備份FAT表。將此文件使用的簇號位置清 0，表示此簇當前未被使用。
                    

圖2  USBHost電路框圖

　　由于在FAT16中子目錄被視為特殊的文件，對其操作類似于文件操作，所以不再贅述。

　　構建的FAT16文件系統(tǒng)對用戶提供文件級API函數(shù)，如CH375_Creat_File( )、CH375_Write_File( )、CH375_Delete_File( )等，當執(zhí)行文件級API函數(shù)時，將調用Seck_Empty_Cluster( )尋找一個空簇、Link_Cluster_List( )建立簇鏈、Seck_Sector( )定位文件指針等中間函數(shù)。這些中間函數(shù)在調用CH375S專用于海量存儲設備類對應的命令，如SET_USB_MODE、DISK_READ、 DISK_WRITE等。下面以創(chuàng)建ADC.TXT，并向其中寫入A/D采樣數(shù)據為例，其工作流程如圖3所示。
                

圖3  創(chuàng)建文件并向其中寫入數(shù)據流程

　　用FAT16文件系統(tǒng)存儲文件時最小單元為簇。即使一個很小的文件也會占用一簇，所以，為了節(jié)約存儲空間，在圖3中將創(chuàng)建同名文件并向其中寫入數(shù)據轉換為向原文件追加數(shù)據。

3  大容量數(shù)據采集系統(tǒng)設計

　　利用已設計好的嵌入式USBHost搭建起大容量數(shù)據采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的框圖如圖4所示。
                

圖4  系統(tǒng)硬件框圖

　　溫度傳感器采用DS18B20。它是單總線數(shù)字溫度傳感器，測量范圍為-55~+125℃，可編程9～12位A/D轉換精度,測溫分辨率可達0.062 5℃。液晶采用TM320240ECCW，它是320×240點陣液晶，顯示控制芯片是SED1335，既可以以文本模式顯示所測溫度數(shù)據，也可以自建平面坐標以曲線模式顯示溫度數(shù)據。外擴了4×5鍵盤，用于設定采集的時間間隔、時間長度；系統(tǒng)所允許的高、低溫容限；設定采集時的時間以及輸入自己想查看數(shù)據的存儲區(qū)域。鍵盤用8279管理，目的是減輕單片機的負擔。因為單片機處理溫度采集及溫度數(shù)據在液晶上顯示時已經耗去一些時間，再加上定時和不定時的讀/寫U盤，負荷已經很重了，所以鍵盤掃描與處理交給8279來做。單片機采用查詢方式查詢8279的中斷。

　　驅動程序包括液晶驅動、DS18B20驅動和8279驅動。其中主要的工作是液晶驅動程序的編寫。液晶驅動包括初始化液晶、讀寫參數(shù)子程序、寫命令子程序、建坐標子程序、繪點子程序、漢字寫入子程序等。液晶在系統(tǒng)初始化和對U盤初始化與枚舉時顯示提示信息，在采集過程中，以曲線模式顯示溫度數(shù)據。

結語

　　基于CH375S實現(xiàn)的USBHost接口，其硬件結構便于在其他開發(fā)平臺上擴充，其核心的文件層協(xié)議棧采用標準的C語言編寫，具有良好的移植性。類似的基于USB的大容量數(shù)據采集方案已用于輕軌鐵路、無紙記錄儀的數(shù)據存儲系統(tǒng)中。隨著USB OTG時代的到來，基于USB的大容量數(shù)據采集將會有非常廣闊的應用前景。

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