USB-HOST實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集嵌入式模塊的實(shí)現(xiàn)

    摘要：提出利用SL811HS和8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)USB-Host實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集嵌入式模塊。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，遵守大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議和USB 1.1協(xié)議規(guī)范，可作為嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入輸出模塊。它以文件的形式，與Slave端的USB移動(dòng)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    關(guān)鍵詞：SL811HS USB-HOST 大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議 USB1.1

引言

隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控行業(yè)和嵌入式用戶對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)的需求越來越大，傳統(tǒng)的通過軟盤、串行口（RS232/RS485）或以太網(wǎng)等傳輸數(shù)據(jù)的方式已不能滿足當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換的需求。如何在嵌入式模塊中實(shí)現(xiàn)USB移動(dòng)存儲(chǔ)已成為急需解決的問題。

本文提出利用SL811HS和8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)USB-HOST嵌入式模塊的一種方案。它帶有標(biāo)準(zhǔn)USB數(shù)據(jù)總線接口，完全遵守USB 1.1協(xié)議和大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議規(guī)范。移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的文件操作方式支持FAT16文件系統(tǒng)。

1 USB-HOST嵌入式模塊原理

USB技術(shù)規(guī)范將使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方劃分為兩種角色——Host和Slave，并且規(guī)定，數(shù)據(jù)傳輸只能發(fā)生在Host和Slave之間。目前，絕大多數(shù)Host功能角色被集成在各種類型的PC機(jī)上，如筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)、Mac機(jī)及服務(wù)器等；而各種各樣的基本USB的移動(dòng)設(shè)備都集成了USB Slave功能角色，例如U盤、帶USB接口的數(shù)碼相機(jī)等。這樣，就導(dǎo)致這些作為USB Slave的USB接口的數(shù)字設(shè)備中的數(shù)據(jù)，離開PC機(jī)無法讀寫。解決這一問題的根本辦法就是在需要使用USB設(shè)備的系統(tǒng)中集成USB Host功能模塊，使之具有與USB Slave設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/P>

利用SL811HS和8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)完成了USB Host功能，并且提供了USB總線的接口方式。它可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)接口模塊集成到用戶的嵌入式系統(tǒng)中，使用戶系統(tǒng)能夠讀/寫作為Slave的USB移動(dòng)存儲(chǔ)器，從而完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換功能。由于它支持FAT16文件系統(tǒng)，所以可以將用戶系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)以文件的方式存儲(chǔ)到USB移動(dòng)存儲(chǔ)器中，因此，用戶可以在需要時(shí)，將USB移動(dòng)存儲(chǔ)器取出，并拿到自己數(shù)據(jù)處理中心的PC機(jī)，直接將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，極大地方便了用戶數(shù)據(jù)的采集和處理。其原理如圖1所示。

2 SL811HS芯片介紹

Cypress公司提供的USB嵌入式主控制器芯片SL811HS具有標(biāo)準(zhǔn)的微處理器總線接口，可以提供全速（12Mb/s）和低速（1.5Mb/s）USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。圖2為SL811HS主從控制功能模塊。

它具有以下功能：

①自動(dòng)檢測(cè)全速或低速設(shè)備；

②8位雙向數(shù)據(jù)輸出端口；

③集成芯片的串行接口驅(qū)動(dòng)和USB接收；

④256字節(jié)內(nèi)部SRAM緩存，乒乓處理；

⑤自動(dòng)生成內(nèi)部幀同步和CRC5/16校驗(yàn)；

⑥自動(dòng)地址增益模式，可以節(jié)省存儲(chǔ)器讀寫周期。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

圖3為SL81HS電路設(shè)計(jì)圖，在實(shí)際項(xiàng)目中已經(jīng)得到了應(yīng)用。

其中AD0～AD7、CS、RD、WR均與單片機(jī)89C51相連，由單片機(jī)進(jìn)行控制。雖然SL811HS可以使用12MHz晶振，然而在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶振質(zhì)量不太好時(shí)，電路穩(wěn)定性較差，故建議在條件許可的情況下，盡量使用48MHz的有源晶振。

4 SL811HS的工作過程

①通過SL811HS向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)過程。接收數(shù)據(jù)過程同發(fā)送數(shù)據(jù)過程類似。

②通過SL811HS向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的Ping-Pong方式的實(shí)現(xiàn)。若有大量的數(shù)據(jù)（如以512字節(jié)為最小單位的扇區(qū)寫操作）需要傳送，就要考慮到Ping-Pong傳送。其具體過程為：

*向BUFFER中同時(shí)寫入2個(gè)幀；

*發(fā)出第1個(gè)幀；

*等待確認(rèn)信息；

*收到確認(rèn)信息后發(fā)出第2個(gè)幀，在第1個(gè)幀的位置上填充第3個(gè)幀，同時(shí)開始等待確認(rèn)信息。

Ping-Pong方式利用等待的時(shí)隙，填充BUFFER，可以極大提高系統(tǒng)的性能，在不改變其它條件的情況下，提高速度。

5 大規(guī)模存儲(chǔ)過程

大規(guī)模存儲(chǔ)是CPU和移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備打交道的接口程序，通過調(diào)用大規(guī)模存儲(chǔ)程序，可以得知移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備文件分區(qū)表中的DBR、FAT表、文件目錄表等的起始位置，并且可以獲得移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備某些地址區(qū)間的一系列數(shù)值。Windows系統(tǒng)可以自動(dòng)支持大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議，使主機(jī)可以自如訪問移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備；然而在單獨(dú)開發(fā)此嵌入式模塊時(shí)，大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議須自己編寫。

    下面為通過大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議訪問移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的部分程序。

if(!SPC_RequestSense()) return FLASE;

//轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)到主機(jī)

if(!SPC_TestUnit()) returnFALSE; //檢測(cè)UFI設(shè)備狀態(tài)

if(!RBC_ReadCapacity()) return FLASE; //主機(jī)讀取的最大容量

if(!RBC_Read(0x0,1,DBUF)) return FLASE;//主機(jī)讀0x0開始的一個(gè)數(shù)據(jù)塊到DBUF

//以上為大規(guī)模存儲(chǔ)的各個(gè)命令塊，運(yùn)行成功，則繼續(xù)。

if(DBUF[0]==0xeb||DBUF[0]==0xe9)

DeviceInfo.StartSector=0;

Else

DeviceInfo.SartSector=SwapINT32(pMBR->StartSector);

pBPB=(PBPB_BLOCK)DBUF; //引導(dǎo)扇區(qū)DBR的BRB塊定義

if(!RBC_Read(DeviceInfo.StartSector,1,DBUF)) return FLASE;

DeviceInfo.BPB_BytesPerSec=SwapINT16(pBPB->BPB_BytesPerSec);

DeviceInfo.PBP_SecPerClus=pBPB->BPB_SecPerClus;

DeviceInfo.BPB_NumFATs=pBPB->BPB_NumFATs;

DeviceInfo.BPB_RootEntCnt=SwapINT16(pBPB->BPB_RootEntCnt);

DeviceInfo.BPB_TotSec16=SwapINT16(pBPB->BPB_TotSec16);

DeviceInfo.BPB_FATSz16=SwapINT16(pBPB->BPB_FATSz16);

DeviceInfo.BPB_TotSec32=SwapINT32(pBPB->BPB_TotSec32);

SeviceInfo.FatStartSector=DeviceInfo.StartSector+1;

SeviceInfo.RootStartSector=DeviceInfo.StartSector+2*DeviceInfo.BPB_FATSz16+1;

DeviceInfo.FirstDataSector=DeviceInfo.FatStartSector+2*DeviceInfo.BPB_FATSz16+32;

/*以上為各個(gè)部分存儲(chǔ)位置即每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、每簇扇區(qū)數(shù)、FAT表起始扇區(qū)、根目標(biāo)起始扇區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)起始扇區(qū)等。*/

6 系統(tǒng)的整個(gè)工作流程

通過單片機(jī)定時(shí)器0檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)從設(shè)備接入，則觸發(fā)外部中斷0。當(dāng)從設(shè)備發(fā)現(xiàn)后，通過SL811HS進(jìn)行設(shè)備枚舉，設(shè)置設(shè)備地址、數(shù)據(jù)描述和配置，然后通過大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議訪問從設(shè)備文件系統(tǒng)。發(fā)讀或?qū)懨?，?duì)從設(shè)備進(jìn)行讀寫，最后反饋響應(yīng)碼。

7 總結(jié)

本文描述了SL811HS芯片和大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議的應(yīng)用，介紹了基于8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)USB-HOST的整個(gè)過程。此系統(tǒng)已經(jīng)過試驗(yàn)，能夠完成對(duì)從設(shè)備的直接讀寫數(shù)據(jù)，查看從設(shè)備目標(biāo)及從設(shè)備剩余存儲(chǔ)空間等一系列操作，穩(wěn)定性較強(qiáng)；可廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控行業(yè)等領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。