嵌入式U盤讀寫器接口技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計

引言

            隨著USB技術(shù)和閃存技術(shù)的飛速發(fā)展，移動存儲設(shè)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(shù)據(jù)傳輸依然采用傳統(tǒng)的串并口技術(shù)，特別對一些前端的便攜式采集系統(tǒng)，需要采集后臨時存儲，再拿回來傳給作為上位機的PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給人們帶來很多不變，為此，本文提出了一種方法--利用U盤的便捷特性開發(fā)一種基于嵌入式的USB讀寫器，方便地將采集數(shù)據(jù)以文件方式寫入U盤，PC機不需要任何特殊驅(qū)動便可以完成對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸難的問題。

            1 硬件設(shè)計

            系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149作為MCU，Cypress公司的SL811HS作為USB設(shè)備控制器，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢滿足低功耗要求。

            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(yīng)用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器可用電池工作，且使用的時間很長，MSP430單片機具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU中的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使其能達(dá)到最高的代碼效率，靈活的時鐘源可以使器件的功率消耗最低，數(shù)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的時間內(nèi)激活到活躍的工作方式，非常的內(nèi)/外設(shè)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(shè)備控制器，主設(shè)備或從設(shè)備模式由軟件控制，USB主/從設(shè)備控制器支持全高速和低速數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部256字節(jié)的SRAM緩存，訪問時地址自動加1，可大大縮短讀寫指令周期，具有標(biāo)準(zhǔn)的8位雙向微處理器總線接口，其中從設(shè)備模式下支持DMA。

            1.3 硬件系統(tǒng)框圖

            USB讀寫器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由MSP430F149和SL811HS構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)位區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和命令，通過P4口向SL811發(fā)送控制信號，P6用作普通的雙向總線接口與SL811進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，P1.1支持中斷喚醒接收SL811的中斷請求。

            2 軟件設(shè)計

            為了使上位PC機能夠直接讀取該讀寫器寫入U盤的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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）用于將USB接口的外圍設(shè)備（device）連接到主機（host），實現(xiàn)二者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠靠偩€結(jié)構(gòu)，是一種快速、靈活的總線接口，USB的傳輸類型有控制（control）、批量（bulk）、中斷（interrupt）和同步（synchronous）傳輸4種，它最大的特點是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外設(shè)。

            控制數(shù)據(jù)用于在USB接入總線時對其進(jìn)行配置，其他的驅(qū)動軟件可以根據(jù)具體的應(yīng)用來選擇使用控制傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸不會丟失數(shù)據(jù)。

            典型的批量數(shù)據(jù)包括象使用打印機或掃描儀時所出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，這種批量數(shù)據(jù)是連續(xù)的，通過在硬件中實現(xiàn)差錯檢測功能，并且有選擇地進(jìn)行一定的應(yīng)進(jìn)重試操作，可以在硬件層次上保證數(shù)據(jù)的可靠交換。

            由設(shè)備自發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸是中斷數(shù)據(jù)傳輸，這類數(shù)據(jù)傳輸可以由USB設(shè)備在任意時刻發(fā)起，而且USB總線以不低于設(shè)備說明的速率進(jìn)行傳輸。

            同步數(shù)據(jù)在產(chǎn)生、傳送和處理過程中是連續(xù)的和實時的，在穩(wěn)定的同步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收速率中包含了相應(yīng)的時鐘信息，為了保持定時關(guān)系，同步數(shù)據(jù)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(shè)備分為5大類，即顯示器、通信設(shè)備、音頻設(shè)備、人機輸入和海量存儲。通常所用的U盤、移動硬盤均屬于海量存儲類。海量存儲類的規(guī)范中包括4個獨立的子規(guī)范，即CBI傳輸、Bulk-Only傳輸、ATA命令塊、UFI命令規(guī)范。前兩個協(xié)議定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協(xié)議僅僅使用Bulk端點傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI傳輸協(xié)議則使用Control/bulk/interrupt三種類型的端點進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的傳送。后兩個協(xié)議定義了存儲介質(zhì)的操作命令，ATA協(xié)議用于硬盤，UFI協(xié)議則針對USB移動存儲，U盤讀寫器的設(shè)計遵循Bulk-Only傳輸協(xié)議和UFI命令規(guī)范。UFI命令塊規(guī)范是針對USB移動存儲而制定的，它總共定義了19個12字節(jié)長度的操作命令。

            Bulk-Only事務(wù)以主機向設(shè)備發(fā)送CBW（Command Block
            Warp）包，并以建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸開始的，設(shè)備接收到CBW包，檢查并解釋它，試圖滿足主機的要求，并通過CSW（Command
            State Wrap）包向主機返回狀態(tài)信息。

            CBW是主機通過Bulk-Out端點向設(shè)備發(fā)送的命令塊包，在CBW中使用方向位和數(shù)據(jù)傳輸長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(jié)的短包傳輸結(jié)束，相繼的數(shù)據(jù)包和CSW包必須開始于一個新的包邊界，所有的CBW包必須按低字節(jié)在前的次序傳輸。

            CBW包結(jié)構(gòu)如圖2所示，各域含義如下：

            1）命令塊包標(biāo)識。CBW包標(biāo)記，表明這是一個CBW包，這個域的值為43425355H。

            2）命令塊標(biāo)記。當(dāng)設(shè)備返回相應(yīng)的CSW包時，必須使命令狀態(tài)標(biāo)記域的值與此值相同。

            3）數(shù)據(jù)傳輸長度。指明命令執(zhí)行期間在Bulk端點上傳數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，如果這個域的值是0，則在CBW和CSW之間設(shè)備和主機不傳輸任何數(shù)據(jù)，并且設(shè)備將忽略在命令塊標(biāo)旗域中的方向位的值。

            4）命令塊標(biāo)旗。方向位規(guī)定了Bulk端點數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，其他位預(yù)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(shè)備不支持多個邏輯單元號，則主機將這個域設(shè)置為0。

            6）CBWCB長度，定義了CBWCB的有效長度，合法值為1-16。

            7）CBWCB。由設(shè)備執(zhí)行的命令，由設(shè)備解釋。

            CSW向主機表明來自于CBW包的命令塊的執(zhí)行狀態(tài)。設(shè)備收到CBW包解析處理后將通過Bulk-In端點發(fā)送一個CSW包。

            CSW開始于包邊界，并以13字節(jié)的短包結(jié)束，結(jié)構(gòu)如圖3所示，各域含義如下： 

            1）命令狀態(tài)包標(biāo)識。CSW包的標(biāo)記，表明這是一個CSW包，這個域的值為53425355H。

            2）命令狀態(tài)標(biāo)記。次域的值域CBW包的命令塊標(biāo)記相同。

            3）數(shù)據(jù)殘余。實際數(shù)據(jù)傳輸量與CBW包中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸長度的差值。

            4）命令執(zhí)行狀態(tài)，表明命令成功或失敗信息，如果命令執(zhí)行成功，則設(shè)備將設(shè)置此域的值為0，非0值；則表明失敗或錯誤。

            UFI是針對USB移動存儲而制定的命令塊協(xié)議，它規(guī)定了主機和設(shè)備進(jìn)行信息交換所使用的命令塊、數(shù)據(jù)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(shè)備通過讀取CBWCB確定具體要執(zhí)行何種操作命令（如讀命令），如何完成這個命令（如從閃存的哪個地址讀，需要讀取的長度），設(shè)備將命令的執(zhí)行狀態(tài)封裝成CSW返回給主機。

            UFI用于大多數(shù)命令的12字節(jié)命令塊的描述，結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中各參數(shù)意義如下：

            1）操作命令代碼。指明所需要執(zhí)行的操作命令；

            2）邏輯單元號。指明命令將發(fā)送到哪個邏輯單元，如果設(shè)備只有一個邏輯單元，則此域的值為0。

            3）邏輯塊地址。命令操作的起始地址。

            4）傳輸長度，指明請求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，通常以"扇區(qū)"作單位，但是有幾個命令是以"字節(jié)"作單位的，對于這些命令，傳輸長度域可以以不同的名字標(biāo)識，若此域的值為0，則表面沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。

            5）參數(shù)列表長度，用于指定發(fā)送到設(shè)備的字節(jié)數(shù)，這個域典型的應(yīng)用于發(fā)送到設(shè)備的參數(shù)命令塊（如模式參數(shù)、診斷參數(shù)等），若此域的值為0，則表面沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。

            6）分配長度，指明主機已經(jīng)分配的用于返回數(shù)據(jù)的最大字節(jié)長度，若此值為0，則表明沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。

            2.3 FAT32

            FAT是Microsoft較早推出的文件系統(tǒng)，具有高度的兼容性，目前仍然廣泛應(yīng)用于個人電腦尤其是移動存儲設(shè)備中，F(xiàn)AT由引導(dǎo)扇區(qū)、FAT1表、FAT2表、目錄和文件區(qū)組成（其中FAT2表是FAT1表的備份）。磁盤的管理是以扇區(qū)為單位的，而移動存儲設(shè)備則是以塊為單位的，F(xiàn)AT將塊映射成扇區(qū)，原理相同，F(xiàn)AT將磁盤空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位成為"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。所以以簇為單位而不以扇區(qū)為單位進(jìn)行磁盤的分配，是因為當(dāng)區(qū)分容量較大時，采用512字節(jié)的扇區(qū)管理，會增加FAT表的項數(shù)和大文件存取的消耗，使文件系統(tǒng)效率不高。

            引導(dǎo)扇區(qū)DBR（DOS Boot
            Record）通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512字節(jié)，F(xiàn)AT表緊隨其后。DBR的第一部分是一個x86跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志和操作系統(tǒng)版本號，接下來的從偏移0x0B開始的是一段描述能夠使可執(zhí)行引導(dǎo)代碼找到相關(guān)參數(shù)的消息，通常稱之為BPB。最后是引導(dǎo)程序代碼以及扇區(qū)結(jié)束標(biāo)志。BPB中記錄了扇區(qū)大小、簇的扇區(qū)數(shù)、保留扇區(qū)數(shù)、FAT表大小和文件系統(tǒng)類型等重要參數(shù)，用于文件的索引和定位計算。

            2.4 軟件系統(tǒng)模塊

            USB讀寫器軟件由主模塊、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(diào)調(diào)用，共同完成對U盤文件的讀寫創(chuàng)建。

            USB模塊負(fù)責(zé)檢測USB設(shè)備的移入/移出，對插入的設(shè)備進(jìn)行枚舉，分配設(shè)備地址端點號，配置設(shè)備接口端點描述符，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(shù)據(jù)包，并接收CSW數(shù)據(jù)包，通過CBW中嵌入的CBWCB信息確定對U盤讀/寫操作的扇區(qū)位置和大小，F(xiàn)AT模塊主要完成簇和扇區(qū)間的索引定位，即在U盤內(nèi)尋址，利用BPB中的參數(shù)計算給定扇區(qū)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(jù)中斷類型進(jìn)入不同功能子模塊的，也是整個軟件系統(tǒng)的核心部分。中斷模塊接收到串口或并口數(shù)據(jù)后，根據(jù)內(nèi)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(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。
            

            3 應(yīng)用測試結(jié)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)行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常立即停機報警，為了對出現(xiàn)異常時的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，需要將現(xiàn)場數(shù)據(jù)帶回研究室。利用基于嵌入式的U盤讀寫器可以免去現(xiàn)場布線的麻煩，還可以省去PC機端驅(qū)動軟件的開發(fā)，直接將現(xiàn)場數(shù)據(jù)寫入U盤，方便地利用PC機中安裝的MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析處理。

            結(jié)語

            基于嵌入式U盤讀寫器的設(shè)計實現(xiàn)可以方便地將下位機數(shù)據(jù)存儲到普通U盤，徹底解決了工業(yè)控制中上下位機之間數(shù)據(jù)傳輸難的問題，也為以后其他領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了前提條件，如長途客車中的黑匣子、家庭老人健康監(jiān)測，隨著USB技術(shù)和閃存技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鸩綌U展，市場前景良好。