基于USB-Host的大容量數據采集系統的設計

引言

隨著(zhù)移動(dòng)數據存儲領(lǐng)域的日益擴大，在嵌入式系統中實(shí)現usb主機功能，以實(shí)現利用usb存儲設備進(jìn)行數據存儲的需求變得日益迫切。u盤(pán)作為新型移動(dòng)存儲設備，以體積小、速度高、抗震動(dòng)、通用性強的特點(diǎn)倍受青睞，因此，在數據采集系統中開(kāi)發(fā)出嵌入式usb主機控制u盤(pán)作為數據存儲器，將具有良好的實(shí)用價(jià)值和應用前景。

1 usb大容量存儲設備協(xié)議分析

基于usb的大容量數據采集系統的設計，主要是要實(shí)現嵌入式usb-host。要想設計出能直接讀寫(xiě)u盤(pán)的嵌入式usb-host，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。

(1)fat16文件系統結構

fat格式的磁盤(pán)大致可以分5個(gè)部分：mbr區、dbr區、fat區、fdt區和data區。

mbr區：又稱(chēng)主引導記錄，其后為64字節的dpt(disk partition table，磁盤(pán)分區表)。由于不需要從u盤(pán)啟動(dòng)，且u盤(pán)就一個(gè)分區，所以u盤(pán)上沒(méi)有這個(gè)數據區。

dbr區：即操作系統引導記錄區，通常占用分區的第o扇區，共512字節，由跳轉指令、bpb、結束標志幾部分組成。

fat區：存放文件分配表。文件分配表是一一對應于數據區簇號的列表，反映了所有簇的使用情況。每個(gè)表項單元的大小決定了fat的類(lèi)型，比如fat16的表項單元為16位。fat表一般都有一個(gè)備份。

fdt區：存放著(zhù)文件目錄表，位于備份fat表之后。fdt由32位的目錄項線(xiàn)性構成，記錄著(zhù)根目錄下每個(gè)文件(子目錄)的起始單元、屬性等。fdt大小為32個(gè)扇區，最多可以保存512個(gè)目錄項。

data區：是真正意義上的數據存儲的地方，位于fdt之后，占據硬盤(pán)上的大部分數據空間。

(2)fat16的存儲空間組織原則

當磁盤(pán)空間格式化為fat分區時(shí)，fat文件系統就將這個(gè)分區當成整塊可分配的區域進(jìn)行規劃，以便數據的存儲。fat將磁盤(pán)空間以一定數目的扇區為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位稱(chēng)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(每個(gè)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(xiàn)左邊中間的ufi／ata驅動(dòng)層將應用程序的訪(fǎng)問(wèn)轉換成ufi或ata命令／數據格式，與外部存儲設備之間按照子規范ufi或ata的定義進(jìn)行命令／狀態(tài)／數據的交換；最底層則是usb傳輸驅動(dòng)，負責將上層的ufi／ata數據發(fā)送到usb總線(xiàn)上以及接收從存儲設備返回的狀態(tài)／數據。cbi／bulk-only／ata／ufi是usb mass storage類(lèi)規范中4個(gè)獨立的子類(lèi)規范的簡(jiǎn)稱(chēng)。前兩個(gè)子規范定義了數據／命令／狀態(tài)在usb上的傳輸方法。bulk-only傳輸規范僅使用bulk端點(diǎn)傳送數據／命令／狀態(tài)，cbi傳輸規范則使用control／bulk／interrupt三種類(lèi)型的端點(diǎn)進(jìn)行數據／命令／狀態(tài)傳送。后兩個(gè)子規范則定義了存儲介質(zhì)的操作命令。ata命令規范用于硬盤(pán)，ufi命令規范是針對usb移動(dòng)存儲而制定的。

2 嵌入式usb-host設計

2．1 硬件設計

系統采用增強型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，1280字節的ram(256字節的內部ram和1kb的外部ram)，支持在系統／在應用可編程(isp，iap)；ch375s是一款符合usb1．1協(xié)議規范的usb總線(xiàn)的通用接口芯片，支持usb-host主機方式和usb-device／slave設備方式。ch375s具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出，因此ch375s作全速u(mài)sb-host主機接口時(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／dsp／mcu／mpu等控制器的系統總線(xiàn)上?？紤]到讀／寫(xiě)u盤(pán)或移動(dòng)硬盤(pán)時(shí)一般都是以扇區模式進(jìn)行的，所以要加磁盤(pán)數據緩沖區和文件數據緩沖區(都是512字節的整數倍)，并且緩沖區越大，執行的效率越高，所以外擴了32 kb的ram。

usb-host電路如圖2所示。

利用已設計好的嵌入式usb-host搭建起大容量數據采集系統，系統的框圖如圖4所示。

溫度傳感器采用ds18b20。它是單總線(xiàn)數字溫度傳感器，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o．0625℃。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據，也可以自建平面坐標以曲線(xiàn)模式顯示溫度數據。外擴了4×5鍵盤(pán)，用于設定采集的時(shí)間間隔、時(shí)間長(cháng)度；系統所允許的高、低溫容限；設定采集時(shí)的時(shí)間以及輸入自己想查看數據的存儲區域。鍵盤(pán)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據在液晶上顯示時(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(xiě)u盤(pán)，負荷已經(jīng)很重了，所以鍵盤(pán)掃描與處理交給8279來(lái)做。單片機采用查詢(xún)方式查詢(xún)8279的中斷。

驅動(dòng)程序包括液晶驅動(dòng)、ds18820驅動(dòng)和8279驅動(dòng)。其中主要的工作是液晶驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。液晶驅動(dòng)包括初始化液晶、讀寫(xiě)參數子程序、寫(xiě)命令子程序、建坐標子程序、繪點(diǎn)子程序、漢字寫(xiě)入子程序等。液晶在系統初始化和對u盤(pán)初始化與枚舉時(shí)顯示提示信息，在采集過(guò)程中，以曲線(xiàn)模式顯示溫度數據。

結語(yǔ)

基于ch375s實(shí)現的usb-host接口，其硬件結構便于在其他開(kāi)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(yǔ)言編寫(xiě)，具有良好的移植性。類(lèi)似的基于usb的大容量數據采集方案已用于輕軌鐵路、無(wú)紙記錄儀的數據存儲系統中。隨著(zhù)usb otg時(shí)代的到來(lái)，基于usb的大容量數據采集將會(huì )有非常廣闊的應用前景。