關(guān)于嵌入式U盤(pán)讀寫(xiě)器接口技術(shù)和系統設計
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隨著(zhù)USB技術(shù)和閃存技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)存儲設備的速度和容量日新月異，但在工業(yè)控制的上位機和下位機之間，數據傳輸依然采用傳統的串并口技術(shù)，特別對一些前端的便攜式采集系統，需要采集后臨時(shí)存儲，再拿回來(lái)傳給作為上位機的PC機進(jìn)行數據處理，給人們帶來(lái)很多不變，為此，本文提出了一種方法--利用U盤(pán)的便捷特性開(kāi)發(fā)一種基于嵌入式的USB讀寫(xiě)器，方便地將采集數據以文件方式寫(xiě)入U盤(pán)，PC機不需要任何特殊驅動(dòng)便可以完成對數據的處理回放。利用本方法可以徹底解決下位機與PC機之間的數據傳輸難的問(wèn)題。
1 硬件設計
系統采用TI公司的MSP430F149作為MCU，Cypress公司的SL811HS作為USB設備控制器，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢滿(mǎn)足低功耗要求。
1.1 MSP430
TI公司的 MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，針對不同的應用而由各種不同的
模塊組成，這些微控制器可用電池工作，且使用的時(shí)間很長(cháng)，MSP430單片機具有16位RISC結構，CPU中的16個(gè)寄存器和常數發(fā)生器使其能達到最高的代碼效率，靈活的時(shí)鐘源可以使器件的功率消耗最低，數字控制的振蕩器（DCO）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在短于6μs的時(shí)間內激活到活躍的工作方式，非常的內/外設和I/O端口資源，端口P1和P2支持中斷喚醒。
1.2 SL811HS
Cypress公司的SL811HS是一款超低功耗的USB主/從設備控制器，主設備或從設備模式由軟件控制，USB主/從設備控制器支持全高速和低速數據傳輸，內部256字節的SRAM緩存，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)地址自動(dòng)加1，可大大縮短讀寫(xiě)指令周期，具有標準的8位雙向微處理器總線(xiàn)接口，其中從設備模式下支持DMA。
1.3 硬件系統框圖
USB讀寫(xiě)器結構框圖如圖1所示，主要由MSP430F149和SL811HS構成，MSP430支持串口輸入和14位的并口輸入，P2.7用作中斷喚醒位，P2.6用作標準位區分數據和命令，通過(guò)P4口向SL811發(fā)送控制信號，P6用作普通的雙向總線(xiàn)接口與SL811進(jìn)行數據交換，P1.1支持中斷喚醒接收SL811的中斷請求。
2 軟件設計
為了使上位PC機能夠直接讀取該讀寫(xiě)器寫(xiě)入U盤(pán)的數據，數據存儲按照FAT32文件管理方式存儲，其中涉及USB和UFI協(xié)議以及FAT32文件存儲格式。
2.1 USB協(xié)議
USB（通用串行總線(xiàn)）用于將USB接口的外圍設備（device）連接到主機（host），實(shí)現二者之間數據傳輸的外部總線(xiàn)結構，是一種快速、靈活的總線(xiàn)接口，USB的傳輸類(lèi)型有控制（control）、批量（bulk）、中斷（interrupt）和同步（synchronous）傳輸4種，它最大的特點(diǎn)是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外設。
控制數據用于在USB接入總線(xiàn)時(shí)對其進(jìn)行配置，其他的驅動(dòng)軟件可以根據具體的應用來(lái)選擇使用控制傳輸，這種數據傳輸不會(huì )丟失數據。
典型的批量數據包括象使用打印機或掃描儀時(shí)所出現的大數據量的數據，這種批量數據是連續的，通過(guò)在硬件中實(shí)現差錯檢測功能，并且有選擇地進(jìn)行一定的應進(jìn)重試操作，可以在硬件層次上保證數據的可靠交換。
由設備自發(fā)產(chǎn)生的數據傳輸是中斷數據傳輸，這類(lèi)數據傳輸可以由USB設備在任意時(shí)刻發(fā)起，而且USB總線(xiàn)以不低于設備說(shuō)明的速率進(jìn)行傳輸。
同步數據在產(chǎn)生、傳送和處理過(guò)程中是連續的和實(shí)時(shí)的，在穩定的同步數據發(fā)送和接收速率中包含了相應的時(shí)鐘信息，為了保持定時(shí)關(guān)系，同步數據必須按照接收的速率進(jìn)行傳輸。
2.2 BULK_ONLY和UFI協(xié)議
USB設備分為5大類(lèi)，即顯示器、通信設備、音頻設備、人機輸入和海量存儲。通常所用的U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)均屬于海量存儲類(lèi)。海量存儲類(lèi)的規范中包括4個(gè)獨立的子規范，即CBI傳輸、Bulk-Only傳輸、ATA命令塊、UFI命令規范。前兩個(gè)協(xié)議定義了數據/命令/狀態(tài)在USB總線(xiàn)上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協(xié)議僅僅使用Bulk端點(diǎn)傳送數據/命令/狀態(tài)，CBI傳輸協(xié)議則使用Control/bulk/interrupt三種類(lèi)型的端點(diǎn)進(jìn)行數據/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個(gè)協(xié)議定義了存儲介質(zhì)的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤(pán)，UFI協(xié)議則針對USB移動(dòng)存儲，U盤(pán)讀寫(xiě)器的設計遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規范。UFI命令塊規范是針對USB移動(dòng)存儲而制定的，它總共定義了19個(gè)12字節長(cháng)度的操作命令。
Bulk-Only事務(wù)以主機向設備發(fā)送CBW（Command Block Warp）包，并以建立相應的數據傳輸開(kāi)始的，設備接收到CBW包，檢查并解釋它，試圖滿(mǎn)足主機的要求，并通過(guò)CSW（Command State Wrap）包向主機返回狀態(tài)信息。
CBW是主機通過(guò)Bulk-Out端點(diǎn)向設備發(fā)送的命令塊包，在CBW中使用方向位和數據傳輸長(cháng)度域指明期待的傳輸，CBW必須起始于包邊界，并且必須以31字節的短包傳輸
結束，相繼的數據包和CSW包必須開(kāi)始于一個(gè)新的包邊界，所有的CBW包必須按低字節在前的次序傳輸。
CBW包結構如圖2所示，各域含義如下：
1）命令塊包標識。CBW包標記，表明這是一個(gè)CBW包，這個(gè)域的值為43425355H。
2）命令塊標記。當設備返回相應的CSW包時(shí)，必須使命令狀態(tài)標記域的值與此值相同。
3）數據傳輸長(cháng)度。指明命令執行期間在Bulk端點(diǎn)上傳數據的字節長(cháng)度，如果這個(gè)域的值是0，則在CBW和CSW之間設備和主機不傳輸任何數據，并且設備將忽略在命令塊標旗域中的方向位的值。
4）命令塊標旗。方向位規定了Bulk端點(diǎn)數據傳輸的方向，其他位預留。
5）邏輯單元號。指定命令塊被發(fā)送到的邏輯單元號，如果設備不支持多個(gè)邏輯單元號，則主機將這個(gè)域設置為0。
6）CBWCB長(cháng)度，定義了CBWCB的有效長(cháng)度，合法值為1-16。
7）CBWCB。由設備執行的命令，由設備解釋。
CSW向主機表明來(lái)自于CBW包的命令塊的執行狀態(tài)。設備收到CBW包解析處理后將通過(guò)Bulk-In端點(diǎn)發(fā)送一個(gè)CSW包。
CSW開(kāi)始于包邊界，并以13字節的短包結束，結構如圖3所示，各域含義如下：
1）命令狀態(tài)包標識。CSW包的標記，表明這是一個(gè)CSW包，這個(gè)域的值為53425355H。
2）命令狀態(tài)標記。次域的值域CBW包的命令塊標記相同。
3）數據殘余。實(shí)際數據傳輸量與CBW包中規定的數據傳輸長(cháng)度的差值。
4）命令執行狀態(tài)，表明命令成功或失敗信息，如果命令執行成功，則設備將設置此域的值為0，非0值；則表明失敗或錯誤。
UFI是針對USB移動(dòng)存儲而制定的命令塊協(xié)議，它規定了主機和設備進(jìn)行信息交換所使用的命令塊、數據和狀態(tài)信息，Bulk-Only傳輸協(xié)議定義了傳輸這些信息的方法，其中UFI命令塊是封裝在CBW包中的CBWCB，設備通過(guò)讀取CBWCB確定具體要執行何種操作命令（如讀命令），如何完成這個(gè)命令（如從閃存的哪個(gè)地址讀，需要讀取的長(cháng)度），設備將命令的執行狀態(tài)封裝成CSW返回給主機。
UFI用于大多數命令的12字節命令塊的描述，結構如圖4所示，其中各參數意義如下：
1）操作命令代碼。指明所需要執行的操作命令；
2）邏輯單元號。指明命令將發(fā)送到哪個(gè)邏輯單元，如果設備只有一個(gè)邏輯單元，則此域的值為0。
3）邏輯塊地址。命令操作的起始地址。
4）傳輸長(cháng)度，指明請求傳輸的數據量，通常以"扇區"作單位，但是有幾個(gè)命令是以"字節"作單位的，對于這些命令，傳輸長(cháng)度域可以以不同的名字標識，若此域的值為0，則表面沒(méi)有數據需要傳輸。
5）參數列表長(cháng)度，用于指定發(fā)送到設備的字節數，這個(gè)域典型的應用于發(fā)送到設備的參數命令塊（如模式參數、診斷參數等），若此域的值為0，則表面沒(méi)有數據需要傳輸。
6）分配長(cháng)度，指明主機已經(jīng)分配的用于返回數據的最大字節長(cháng)度，若此值為0，則表明沒(méi)有數據需要傳輸。
2.3 FAT32
FAT是Microsoft較早推出的文件系統，具有高度的兼容性，目前仍然廣泛應用于個(gè)人電腦尤其是移動(dòng)存儲設備中，FAT由引導扇區、FAT1表、FAT2表、目錄和文件區組成（其中FAT2表是FAT1表的備份）。磁盤(pán)的管理是以扇區為單位的，而移動(dòng)存儲設備則是以塊為單位的，FAT將塊映射成扇區，原理相同，FAT將磁盤(pán)空間以一定數目的扇區為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位成為"簇"。通常情況下，每扇區512字節的原則是不變的，簇的大小一般是2n（n為整數）個(gè)扇區的大小。所以以簇為單位而不以扇區為單位進(jìn)行磁盤(pán)的分配
，是因為當區分容量較大時(shí)，采用512字節的扇區管理，會(huì )增加FAT表的項數和大文件存取的消耗，使文件系統效率不高。
引導扇區DBR（DOS Boot Record）通常占用分區的第0扇區，共512字節，FAT表緊隨其后。DBR的第一部分是一個(gè)x86跳轉指令、廠(chǎng)商標志和操作系統版本號，接下來(lái)的從偏移0x0B開(kāi)始的是一段描述能夠使可執行引導代碼找到相關(guān)參數的消息，通常稱(chēng)之為BPB。最后是引導程序代碼以及扇區結束標志。BPB中記錄了扇區大小、簇的扇區數、保留扇區數、FAT表大小和文件系統類(lèi)型等重要參數，用于文件的索引和定位計算。
2.4 軟件系統模塊
USB讀寫(xiě)器軟件由主模塊、USB模塊、BULK模塊、FAT模塊和中斷處理模塊組成。各模塊之間相互協(xié)調調用，共同完成對U盤(pán)文件的讀寫(xiě)創(chuàng )建。
USB模塊負責檢測USB設備的移入/移出，對插入的設備進(jìn)行枚舉，分配設備地址端點(diǎn)號，配置設備接口端點(diǎn)描述符，建立BULK_ONLY輸入/輸出通道，BULK模塊則在已建立的BULK_ONLY輸入/輸出通道發(fā)送CBW數據包，并接收CSW數據包，通過(guò)CBW中嵌入的CBWCB信息確定對U盤(pán)讀/寫(xiě)操作的扇區位置和大小，FAT模塊主要完成簇和扇區間的索引定位，即在U盤(pán)內尋址，利用BPB中的參數計算給定扇區的所在簇以及進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待外部中斷喚醒。
中斷處理模塊是在中斷喚醒后根據中斷類(lèi)型進(jìn)入不同功能子模塊的，也是整個(gè)軟件系統的核心部分。中斷模塊接收到串口或并口數據后，根據內部命令字要求進(jìn)行解析，命令字要求如圖5所示，串口或并口數據接收流程如圖6所示。
3 應用測試結果
在人造金剛石壓力機壓力錘頭裂紋檢測中，采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，一旦出現異常立即停機報警，為了對出現異常時(shí)的數據進(jìn)一步分析，需要將現場(chǎng)數據帶回研究室。利用基于嵌入式的U盤(pán)讀寫(xiě)器可以免去現場(chǎng)布線(xiàn)的麻煩，還可以省去PC機端驅動(dòng)軟件的開(kāi)發(fā)，直接將現場(chǎng)數據寫(xiě)入U盤(pán)，方便地利用PC機中安裝的MATLAB進(jìn)行數據的詳細分析處理。
結語(yǔ)
基于嵌入式U盤(pán)讀寫(xiě)器的設計實(shí)現可以方便地將下位機數據存儲到普通U盤(pán)，徹底解決了工業(yè)控制中上下位機之間數據傳輸難的問(wèn)題，也為以后其他領(lǐng)域的應用創(chuàng )造了前提條件，如長(cháng)途客車(chē)中的黑匣子、家庭老人健康監測，隨著(zhù)USB技術(shù)和閃存技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該設備應用領(lǐng)域將會(huì )逐步擴展，市場(chǎng)前景良好。
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