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關(guān)于嵌入式U盤讀寫器接口技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計

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作者:桂林電子科技大學 張峰峰 潘明 韋海旋 賈轉(zhuǎn)紅 時間:2007-05-17 來源:Etime 收藏
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--利用的便捷特性開發(fā)一種基于嵌入式的USB,方便地將采集數(shù)據(jù)以文件方式寫入,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,具有標準的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

USB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用作標準位區(qū)分數(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機能夠直接讀取該寫入的數(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,并且有選擇地進行一定的應(yīng)進重試操作,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:

    

CBW包結(jié)構(gòu)

1)命令塊包標識。CBW包標記,表明這是一個CBW包,這個域的值為43425355H。

2)命令塊標記。當設(shè)備返回相應(yīng)的CSW包時,必須使命令狀態(tài)標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旗域中的方向位的值。

4)命令塊標旗。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: 

    

命令狀態(tài)包結(jié)構(gòu)

1)命令狀態(tài)包標識。CSW包的標記,表明這是一個CSW包,這個域的值為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(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。

UFI結(jié)構(gòu)

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)為單位進行磁盤的分配

 
,是因為當區(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)行引導代碼找到相關(guān)參數(shù)的消息,通常稱之為BPB。最后是引導程序代碼以及扇區(qū)結(jié)束標志。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模塊負責檢測USB設(shè)備的移入/移出,對插入的設(shè)備進行枚舉,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。 

    

命令和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

     

數(shù)據(jù)接收流程

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進行數(shù)據(jù)的詳細分析處理。

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。



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