基于USB-Host的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計
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引言
隨著移動數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)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(shè)備進行數(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、通用性強的特點倍受青睞，因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中開發(fā)出嵌入式usb主機控制u盤作為數(shù)據(jù)存儲器，將具有良好的實用價值和應(yīng)用前景。
1 usb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，主要是要實現(xiàn)嵌入式usb-host。要想設(shè)計出能直接讀寫u盤的嵌入式usb-host，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的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，也是嵌入式usb-host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(shè)備的方法。
u盤中的數(shù)據(jù)都是以文件格式存儲的，fat16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)引導記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第o扇區(qū)，共512字節(jié)，由跳轉(zhuǎn)指令、bpb、結(jié)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(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(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。
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)硬盤上的大部分數(shù)據(jù)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，fat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(jù)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(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，負責將上層的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／bulk-only／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(jù)／命令／狀態(tài)在usb上的傳輸方法。bulk-only傳輸規(guī)范僅使用bulk端點傳送數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)，cbi傳輸規(guī)范則使用control／bulk／interrupt三種類型的端點進行數(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
2．1 硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用增強型8051內(nèi)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(jié)的ram(256字節(jié)的內(nèi)部ram和1kb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usb-host主機方式和usb-device／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usb-host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?？紤]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(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，所以外擴了32
kb的ram。
usb-host電路如圖2所示。
根據(jù)以上分析，即可設(shè)計如下文件操作：①創(chuàng)建文件。在fdt中申請新目錄項。
②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(yīng)目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(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)的目錄項置相應(yīng)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。
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，當執(zhí)行文件級api函數(shù)時，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。
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(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
利用已設(shè)計好的嵌入式usb-host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。
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o．0625℃。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(jù)，也可以自建平面坐標以曲線模式顯示溫度數(shù)據(jù)。外擴了4×5鍵盤，用于設(shè)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(shè)定采集時的時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，目的是減輕單片機的負擔。因為單片機處理溫度采集及溫度數(shù)據(jù)在液晶上顯示時已經(jīng)耗去一些時間，再加上定時和不定時的讀／寫u盤，負荷已經(jīng)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(qū)動程序包括液晶驅(qū)動、ds18820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(jù)。
結(jié)語
基于ch375s實現(xiàn)的usb-host接口，其硬件結(jié)構(gòu)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(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。
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