基于USB-Host的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用USB主控制器控制U盤作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的移動存儲器。該設(shè)計(jì)基于USB主/從控制芯片CH375S，遵守大容量存儲設(shè)備類規(guī)范中的BulkOnly和UFI子規(guī)范，支持FAT16文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可用U盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，方便與計(jì)算機(jī)交互；配合液晶和外擴(kuò)鍵盤，可以完全拋開PC，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和指定存儲區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的查看。

引言

隨著移動數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能，以實(shí)現(xiàn)利用USB存儲設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的需求變得日益迫切。U盤作為新型移動存儲設(shè)備，以體積小、速度高、抗震動、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)倍受青睞，因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中開發(fā)出嵌入式USB主機(jī)控制U盤作為數(shù)據(jù)存儲器，將具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1USB大容量存儲設(shè)備協(xié)議分析

基于USB的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是要實(shí)現(xiàn)嵌入式USBHost。要想設(shè)計(jì)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(shè)備協(xié)議。目前USB大容量存儲設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 USB大容量存儲設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中，虛線左邊部分是主機(jī)的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，也是嵌入式USBHost所要實(shí)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(shè)備的方法。U盤中的數(shù)據(jù)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(yīng)用于移動存儲設(shè)備中。這里簡要分析一下FAT16文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存儲空間的組織原則。

（1） FAT16文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(dǎo)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(jù)區(qū)。
DBR區(qū)： 即操作系統(tǒng)引導(dǎo)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(zhuǎn)指令、BPB、結(jié)束標(biāo)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(yīng)于數(shù)據(jù)區(qū)簇號的列表,反映了所有簇的使用情況。每個表項(xiàng)單元的大小決定了FAT的類型,比如FAT16的表項(xiàng)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(xiàng)線性構(gòu)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(xiàng)。
DATA區(qū)： 是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲的地方，位于FDT之后,占據(jù)硬盤上的大部分?jǐn)?shù)據(jù)空間。

（2） FAT16的存儲空間組織原則

當(dāng)磁盤空間格式化為FAT分區(qū)時(shí)，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)就將這個分區(qū)當(dāng)成整塊可分配的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，以便數(shù)據(jù)的存儲。FAT將磁盤空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)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?。總€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(qū)動層將應(yīng)用程序的訪問轉(zhuǎn)換成UFI或ATA命令/數(shù)據(jù)格式，與外部存儲設(shè)備之間按照子規(guī)范UFI或ATA的定義進(jìn)行命令/狀態(tài)/數(shù)據(jù)的交換；最底層則是USB傳輸驅(qū)動，負(fù)責(zé)將上層的UFI/ATA數(shù)據(jù)發(fā)送到USB總線上以及接收從存儲設(shè)備返回的狀態(tài)/數(shù)據(jù)。CBI/BulkOnly/ATA/UFI是USB Mass Storage類規(guī)范中4個獨(dú)立的子類規(guī)范的簡稱。前兩個子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)/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(diǎn)傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI傳輸規(guī)范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)傳送。后兩個子規(guī)范則定義了存儲介質(zhì)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(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核的單片機(jī)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(jī)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(nèi)部RAM和1 KB的外部RAM），支持在系統(tǒng)/在應(yīng)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(jī)方式和USBDevice/Slave設(shè)備方式。CH375S具有8位數(shù)據(jù)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(jī)接口時(shí)，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(jī)/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(shí)一般都是以扇區(qū)模式進(jìn)行的，所以要加磁盤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和文件數(shù)據(jù)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(kuò)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(jī)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(jī)I/O腳驅(qū)動。INT輸出的中斷請求是低電平有效，可以連接到單片機(jī)的中斷輸入引腳或者普通I/O 引腳；單片機(jī)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(jī)的INTO。

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

2.2 軟件設(shè)計(jì)

CH375S不僅是一個通用的USBHost 硬件接口芯片，而且還內(nèi)置了控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器和處理MassStorage海量存儲設(shè)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(shè)備,簡化常用的控制傳輸。參考圖1，單片機(jī)程序主要是構(gòu)建FAT文件系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)，就是在指定的存儲介質(zhì)上，選擇一種或幾種數(shù)據(jù)組織方式，實(shí)現(xiàn)常用的幾個文件API函數(shù)功能，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按名存取。

從第一個分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)束扇區(qū)、文件存儲格式、介質(zhì)描述符、根目錄項(xiàng)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(jù)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(jù)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(xiàng),目錄項(xiàng)中的文件首簇號就是讀/寫文件的入口。

根據(jù)以上分析，即可設(shè)計(jì)如下文件操作：

① 創(chuàng)建文件。在FDT中申請新目錄項(xiàng)。
②寫文件。當(dāng)寫一新文件時(shí)，需在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫入文件對應(yīng)目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的起始簇號位置。當(dāng)此文件長度大于一簇時(shí)，還需在FAT表中對應(yīng)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(yīng)位置填FFFF）。若磁盤有備份FAT，則須在備份FAT表的相應(yīng)位置填入正確的內(nèi)容。
③刪除文件。除了將FDT中對應(yīng)的目錄項(xiàng)置相應(yīng)標(biāo)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(dāng)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(gòu)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(dāng)執(zhí)行文件級API函數(shù)時(shí)，將調(diào)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(diào)用CH375S專用于海量存儲設(shè)備類對應(yīng)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(jù)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(jù)流程

用FAT16文件系統(tǒng)存儲文件時(shí)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(jù)轉(zhuǎn)換為向原文件追加數(shù)據(jù)。

3大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用已設(shè)計(jì)好的嵌入式USBHost搭建起大容量數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換精度,測溫分辨率可達(dá)0.062 5℃。液晶采用TM320240ECCW，它是320×240點(diǎn)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(jù)，也可以自建平面坐標(biāo)以曲線模式顯示溫度數(shù)據(jù)。外擴(kuò)了4×5鍵盤，用于設(shè)定采集的時(shí)間間隔、時(shí)間長度；系統(tǒng)所允許的高、低溫容限；設(shè)定采集時(shí)的時(shí)間以及輸入自己想查看數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域。鍵盤用8279管理，目的是減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)處理溫度采集及溫度數(shù)據(jù)在液晶上顯示時(shí)已經(jīng)耗去一些時(shí)間，再加上定時(shí)和不定時(shí)的讀/寫U盤，負(fù)荷已經(jīng)很重了，所以鍵盤掃描與處理交給8279來做。單片機(jī)采用查詢方式查詢8279的中斷。

驅(qū)動程序包括液晶驅(qū)動、DS18B20驅(qū)動和8279驅(qū)動。其中主要的工作是液晶驅(qū)動程序的編寫。液晶驅(qū)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(biāo)子程序、繪點(diǎn)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(shí)顯示提示信息，在采集過程中，以曲線模式顯示溫度數(shù)據(jù)。

結(jié)語

基于CH375S實(shí)現(xiàn)的USBHost接口，其硬件結(jié)構(gòu)便于在其他開發(fā)平臺上擴(kuò)充，其核心的文件層協(xié)議棧采用標(biāo)準(zhǔn)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(jù)采集方案已用于輕軌鐵路、無紙記錄儀的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中。隨著USB OTG時(shí)代的到來，基于USB的大容量數(shù)據(jù)采集將會有非常廣闊的應(yīng)用前景。