嵌入式U盘读写器接口技术和系统设计

引言 随着USB技术和闪存技术的飞速发展，移动存储设备的速度和容量日新月异，但在工业控制的上位机和下位机之间，数据传输依然采用传统的串并口技术，特别对一些前端的便携式采集系统，需要采集后临时存储，再拿回来传给作为上位机的PC机进行数据处理，给人们带来很多不变，为此，本文提出了一种方法--利用U盘的便捷特性开发一种基于嵌入式的USB读写器，方便地将采集数据以文件方式写入U盘，PC机不需要任何特殊驱动便可以完成对数据的处理回放。利用本方法可以彻底解决下位机与PC机之间的数据传输难的问题。 1 硬件设计 系统采用TI公司的MSP430F149作为MCU，Cypress公司的SL811HS作为USB设备控制器，充分发挥各自优势满足低功耗要求。 1.1 MSP430 TI公司的 MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，针对不同的应用而由各种不同的模块组成，这些微控制器可用电池工作，且使用的时间很长，MSP430单片机具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使其能达到最高的代码效率，灵活的时钟源可以使器件的功率消耗最低，数字控制的振荡器（DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在短于6μs的时间内激活到活跃的工作方式，非常的内/外设和I/O端口资源，端口P1和P2支持中断唤醒。 1.2 SL811HS Cypress公司的SL811HS是一款超低功耗的USB主/从设备控制器，主设备或从设备模式由软件控制，USB主/从设备控制器支持全高速和低速数据传输，内部256字节的SRAM缓存，访问时地址自动加1，可大大缩短读写指令周期，具有标准的8位双向微处理器总线接口，其中从设备模式下支持DMA。 1.3 硬件系统框图 USB读写器结构框图如图1所示，主要由MSP430F149和SL811HS构成，MSP430支持串口输入和14位的并口输入，P2.7用作中断唤醒位，P2.6用作标准位区分数据和命令，通过P4口向SL811发送控制信号，P6用作普通的双向总线接口与SL811进行数据交换，P1.1支持中断唤醒接收SL811的中断请求。 2 软件设计 为了使上位PC机能够直接读取该读写器写入U盘的数据，数据存储按照FAT32文件管理方式存储，其中涉及USB和UFI协议以及FAT32文件存储格式。 2.1 USB协议 USB（通用串行总线）用于将USB接口的外围设备（device）连接到主机（host），实现二者之间数据传输的外部总线结构，是一种快速、灵活的总线接口，USB的传输类型有控制（control）、批量（bulk）、中断（interrupt）和同步（synchronous）传输4种，它最大的特点是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外设。 控制数据用于在USB接入总线时对其进行配置，其他的驱动软件可以根据具体的应用来选择使用控制传输，这种数据传输不会丢失数据。 典型的批量数据包括象使用打印机或扫描仪时所出现的大数据量的数据，这种批量数据是连续的，通过在硬件中实现差错检测功能，并且有选择地进行一定的应进重试操作，可以在硬件层次上保证数据的可靠交换。 由设备自发产生的数据传输是中断数据传输，这类数据传输可以由USB设备在任意时刻发起，而且USB总线以不低于设备说明的速率进行传输。 同步数据在产生、传送和处理过程中是连续的和实时的，在稳定的同步数据发送和接收速率中包含了相应的时钟信息，为了保持定时关系，同步数据必须按照接收的速率进行传输。 2.2 BULK_ONLY和UFI协议 USB设备分为5大类，即显示器、通信设备、音频设备、人机输入和海量存储。通常所用的U盘、移动硬盘均属于海量存储类。海量存储类的规范中包括4个独立的子规范，即CBI传输、Bulk-Only传输、ATA命令块、UFI命令规范。前两个协议定义了数据/命令/状态在USB总线上的传输方法，Bulk-Only传输协议仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态，CBI传输协议则使用Control/bulk/interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态的传送。后两个协议定义了存储介质的操作命令，ATA协议用于硬盘，UFI协议则针对USB移动存储，U盘读写器的设计遵循Bulk-Only传输协议和UFI命令规范。UFI命令块规范是针对USB移动存储而制定的，它总共定义了19个12字节长度的操作命令。 Bulk-Only事务以主机向设备发送CBW（Command Block Warp）包，并以建立相应的数据传输开始的，设备接收到CBW包，检查并解释它，试图满足主机的要求，并通过CSW（Command State Wrap）包向主机返回状态信息。 CBW是主机通过Bulk-Out端点向设备发送的命令块包，在CBW中使用方向位和数据传输长度域指明期待的传输，CBW必须起始于包边界，并且必须以31字节的短包传输结束，相继的数据包和CSW包必须开始于一个新的包边界，所有的CBW包必须按低字节在前的次序传输。 CBW包结构如图2所示，各域含义如下： 1）命令块包标识。CBW包标记，表明这是一个CBW包，这个域的值为43425355H。 2）命令块标记。当设备返回相应的CSW包时，必须使命令状态标记域的值与此值相同。 3）数据传输长度。指明命令执行期间在Bulk端点上传数据的字节长度，如果这个域的值是0，则在CBW和CSW之间设备和主机不传输任何数据，并且设备将忽略在命令块标旗域中的方向位的值。 4）命令块标旗。方向位规定了Bulk端点数据传输的方向，其他位预留。 5）逻辑单元号。指定命令块被发送到的逻辑单元号，如果设备不支持多个逻辑单元号，则主机将这个域设置为0。 6）CBWCB长度，定义了CBWCB的有效长度，合法值为1-16。 7）CBWCB。由设备执行的命令，由设备解释。 CSW向主机表明来自于CBW包的命令块的执行状态。设备收到CBW包解析处理后将通过Bulk-In端点发送一个CSW包。 CSW开始于包边界，并以13字节的短包结束，结构如图3所示，各域含义如下： 1）命令状态包标识。CSW包的标记，表明这是一个CSW包，这个域的值为53425355H。 2）命令状态标记。次域的值域CBW包的命令块标记相同。 3）数据残余。实际数据传输量与CBW包中规定的数据传输长度的差值。 4）命令执行状态，表明命令成功或失败信息，如果命令执行成功，则设备将设置此域的值为0，非0值；则表明失败或错误。 UFI是针对USB移动存储而制定的命令块协议，它规定了主机和设备进行信息交换所使用的命令块、数据和状态信息，Bulk-Only传输协议定义了传输这些信息的方法，其中UFI命令块是封装在CBW包中的CBWCB，设备通过读取CBWCB确定具体要执行何种操作命令（如读命令），如何完成这个命令（如从闪存的哪个地址读，需要读取的长度），设备将命令的执行状态封装成CSW返回给主机。 UFI用于大多数命令的12字节命令块的描述，结构如图4所示，其中各参数意义如下： 1）操作命令代码。指明所需要执行的操作命令； 2）逻辑单元号。指明命令将发送到哪个逻辑单元，如果设备只有一个逻辑单元，则此域的值为0。 3）逻辑块地址。命令操作的起始地址。 4）传输长度，指明请求传输的数据量，通常以"扇区"作单位，但是有几个命令是以"字节"作单位的，对于这些命令，传输长度域可以以不同的名字标识，若此域的值为0，则表面没有数据需要传输。 5）参数列表长度，用于指定发送到设备的字节数，这个域典型的应用于发送到设备的参数命令块（如模式参数、诊断参数等），若此域的值为0，则表面没有数据需要传输。 6）分配长度，指明主机已经分配的用于返回数据的最大字节长度，若此值为0，则表明没有数据需要传输。 2.3 FAT32 FAT是Microsoft较早推出的文件系统，具有高度的兼容性，目前仍然广泛应用于个人电脑尤其是移动存储设备中，FAT由引导扇区、FAT1表、FAT2表、目录和文件区组成（其中FAT2表是FAT1表的备份）。磁盘的管理是以扇区为单位的，而移动存储设备则是以块为单位的，FAT将块映射成扇区，原理相同，FAT将磁盘空间以一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位成为"簇"。通常情况下，每扇区512字节的原则是不变的，簇的大小一般是2n（n为整数）个扇区的大小。所以以簇为单位而不以扇区为单位进行磁盘的分配，是因为当区分容量较大时，采用512字节的扇区管理，会增加FAT表的项数和大文件存取的消耗，使文件系统效率不高。 引导扇区DBR（DOS Boot Record）通常占用分区的第0扇区，共512字节，FAT表紧随其后。DBR的第一部分是一个x86跳转指令、厂商标志和操作系统版本号，接下来的从偏移0x0B开始的是一段描述能够使可执行引导代码找到相关参数的消息，通常称之为BPB。最后是引导程序代码以及扇区结束标志。BPB中记录了扇区大小、簇的扇区数、保留扇区数、FAT表大小和文件系统类型等重要参数，用于文件的索引和定位计算。 2.4 软件系统模块 USB读写器软件由主模块、USB模块、BULK模块、FAT模块和中断处理模块组成。各模块之间相互协调调用，共同完成对U盘文件的读写创建。 USB模块负责检测USB设备的移入/移出，对插入的设备进行枚举，分配设备地址端点号，配置设备接口端点描述符，建立BULK_ONLY输入/输出通道，BULK模块则在已建立的BULK_ONLY输入/输出通道发送CBW数据包，并接收CSW数据包，通过CBW中嵌入的CBWCB信息确定对U盘读/写操作的扇区位置和大小，FAT模块主要完成簇和扇区间的索引定位，即在U盘内寻址，利用BPB中的参数计算给定扇区的所在簇以及进入休眠状态，等待外部中断唤醒。 中断处理模块是在中断唤醒后根据中断类型进入不同功能子模块的，也是整个软件系统的核心部分。中断模块接收到串口或并口数据后，根据内部命令字要求进行解析，命令字要求如图5所示，串口或并口数据接收流程如图6所示。 3 应用测试结果 在人造金刚石压力机压力锤头裂纹检测中，采用声发射技术进行实时监控，一旦出现异常立即停机报警，为了对出现异常时的数据进一步分析，需要将现场数据带回研究室。利用基于嵌入式的U盘读写器可以免去现场布线的麻烦，还可以省去PC机端驱动软件的开发，直接将现场数据写入U盘，方便地利用PC机中安装的MATLAB进行数据的详细分析处理。 结语 基于嵌入式U盘读写器的设计实现可以方便地将下位机数据存储到普通U盘，彻底解决了工业控制中上下位机之间数据传输难的问题，也为以后其他领域的应用创造了前提条件，如长途客车中的黑匣子、家庭老人健康监测，随着USB技术和闪存技术的进一步发展，该设备应用领域将会逐步扩展，市场前景良好。