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摘要：
本文結合采用現(xiàn)在計算機業(yè)界標準的USB總線技術和大容量存儲應用技術，提出了一種基于在單片機系統(tǒng)的平臺上開展對大容量數(shù)據(jù)固態(tài)存儲技術的研究，在MSP430單片機系統(tǒng)中集成了對USB Mass Storage Class設備的驅動支持，使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲相對數(shù)據(jù)采集來講其物理空間上的限制得以大幅度的緩解。
0 引言
在現(xiàn)場測控系統(tǒng)中，RTU（遠程測控終端）存儲容量、存儲數(shù)據(jù)的轉移問題始終是RTU的重要環(huán)節(jié)。RTU的存儲容量一般為幾十K～幾百K字節(jié)，數(shù)據(jù)轉移通常采用不掉電靜態(tài)RAM、EEPROM存儲模塊，或采用便攜式計算機通過串行口讀取RTU數(shù)據(jù)。無論采用哪種方法都存在一定的局限性。首先存儲容量小，對于大量的數(shù)據(jù)存儲顯得比較緊張。對于數(shù)據(jù)轉移，如果采用存儲模塊，雖然攜帶方便但不是通用設備，其成本較高，同時不能與計算機兼容，要將存儲模塊的數(shù)據(jù)錄入計算機還需要專用的讀取設備；如果采用便攜式計算機讀取RTU數(shù)據(jù)，雖然讀取方便，但在野外便攜式計算機也是一個不小的包袱。
隨著USB（Universal Serial Bus）技術的發(fā)展，計算機的移動存儲介質普遍采用U盤或移動硬盤。U盤的存儲容量以MB為單位，移動硬盤的存儲容量以GB為單位，它們相對于RTU原先的存儲模塊來說都是海量存儲，所有數(shù)據(jù)存也無需進行壓縮處理，可以在文件級與計算機兼容。即便是對于那些小數(shù)據(jù)量存儲的RTU，雖然只依靠單片機內(nèi)部的FLASH就能滿足存儲要求，然而采用USB接口就能方便地用一個U盤分別讀出多個RTU的數(shù)據(jù)。
如今，USB技術已經(jīng)越來越普及和成熟，低成本、高穩(wěn)定性、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和即插即用的方便性，使其備受硬件廠商的青睞。隨著數(shù)據(jù)采集和嵌入式用戶對移動存儲的需求越來越大，具有USB接口的存儲設備以其優(yōu)異的性價比和靈活性常用來進行數(shù)據(jù)的存儲和交換，所以在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)對優(yōu)盤或移動硬盤的直接讀寫是非常有價值的。
1 USB設備開發(fā)的一般過程
1.1 USB接口芯片的選擇
在進行一個USB設備開發(fā)之前,首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB接口芯片，它是總線在主機方面的接口，用于支持USB設備通過USB連到主機上。
目前,市場上供應的USB控制器主要有兩種:帶USB接口的單片機和純粹的USB接口芯片。前者的好處在于開發(fā)者對系統(tǒng)結構和指令集很熟悉，開發(fā)工具簡單,但對于簡單或低成本系統(tǒng),價格高將會是最大的障礙。而純粹的USB接口芯片僅處理USB通信，必須有一個外部微處理器進行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。這類芯片的特點是價格便宜、接口方便、可靠性高,尤其適合于產(chǎn)品的改型設計（硬件上僅需對并行總線和中斷進行改動，軟件則需增加微處理器的USB中斷處理和數(shù)據(jù)交換程序、PC機的USB接口通信程序，無需對原有產(chǎn)品系統(tǒng)結構作很大的改動）41]。
1.2 硬件電路設計
在選定USB控制芯片后，如果是帶USB接口的單片機，那就是一般單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)；反之，就是如何把USB接口芯片與單片機應用系統(tǒng)融合的問題，一般的USB接口芯片都支持多種并行總線結構,可以方便地與多種單片機接口。
1.3 軟件設計
設計完USB主控器與系統(tǒng)中CPU和存儲器的接口電路后，就要開發(fā)主機系統(tǒng)上的主要外設驅動程序，USB的核心驅動以及USB主控制器驅動程序了,由主機系統(tǒng)控制USB數(shù)據(jù)的傳送動作,響應來自外設的USB標準請求,完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。
軟件設計中要注意的是先要考慮USB總線延時問題。理論上USB總線工作在全速時的最小響應周期為1毫秒，但是實際上的響應周期可能會到幾十毫秒。其原因是多方面的，比如驅動程序、多重緩沖區(qū)等。這是在實時控制項目設計時首先要考慮的因素之一。
1.4 調試
因為每一次USB的傳輸過程，都有時效要求，等待時間過長，通信過程也就中止了，因此不適合用硬件仿真器來設斷點調試�？刹捎么谳o助調試過程， 即在固件代碼中加入類似于Printf的語句，向串口輸出一些信息。借此，可以知道程序運行到哪，以及運行到某處時相應的變量或寄存器值。
調試工作基本分三步進行：首先對單片機部分借助PC調試軟件(芯片生產(chǎn)商提供或從網(wǎng)上下載Bus Hound，WINRT－USB 等調試軟件）將設備端的USB協(xié)議(主要有描述符請求、端口配置、地址設置以及基本數(shù)據(jù)交換）調通。然后，用調試好的USB設備接口來開發(fā)、調試PC 軟件。最后，加上USB設備端的其它用戶程序，對整個完整的系統(tǒng)進行調試。
2 應用實例
下面從硬軟件兩方面具體介紹本案例，重點分析了初始化問題。本例研究開發(fā)了一種基于單片機的USB總線的HOST接口，使得可以接入標準的USB DEVICE，針對大容量數(shù)據(jù)固態(tài)存儲的技術需要，在單片機上研究實現(xiàn)FAT32（兼容FAT16）的文件系統(tǒng)，從而使得USB的Mass Storage類設備可以自由接入，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可以以文件的形式存儲記錄。這樣，就大大拓寬了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測控終端在長時間大容量的數(shù)據(jù)存儲技術上的限制。
本例采用MSP430F149單片機作為核心處理部件，Philps公司的ISP1161A1為USB主控芯片，由MSP430F149控制ISP1161A1，將CPU發(fā)來的指令變?yōu)橄鄳腢SB數(shù)據(jù)流,傳送給指定的USB設備進行相應的操作。圖1為具有USB主機功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖。數(shù)據(jù)采集的固態(tài)存儲設備采用現(xiàn)在應用非常普遍的U盤或移動硬盤，這些設備可移動性強，均采用標準的USB總線接口，通用性非常好。
圖1具有USB主機功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖
在本例中，軟件系統(tǒng)的設計主要涉及五個部分，分別為軟件主程序、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)的現(xiàn)場大容量存儲部分、數(shù)據(jù)的GSM通信部分。整個系統(tǒng)是在IAR Embedded Workbench的軟件環(huán)境以及ScomAssistant調試助手下實現(xiàn)的，程序的實現(xiàn)采用C語言。主程序的代碼為：
void main(void)
{
SYSInit();
TimeTaskInit();
USBInit();
while(1){
TimerTaskManage();
USBTaskManage();
}
}
SYSInit()實現(xiàn)系統(tǒng)初始化工作，主要對單片機基礎參數(shù)的設置和定義各個I/O口的工作方式；TimeTaskInit()中先進行單片機定時中斷的配置，再將定時任務的所有標志清零初始化，為定時中斷處理做準備。USBInit()是對USB事務進行硬軟件初始化，先檢測和配置USB主控芯片ISP1161A1，再初始化USB軟件環(huán)境。
早期的U盤對初始化要求不高，有的甚至不需要驅動就可直接對扇區(qū)進行讀寫，所以現(xiàn)有大部分USB主機系統(tǒng)一般都能實現(xiàn)對這些U盤的讀寫。但隨著產(chǎn)品不斷更新，初始化信息不能完全獲取使得一些不同的USB裝置只能針對不同U盤。本實驗證明，初始化過程完成后再解決了時序問題，就可以解決大部分U盤的讀寫。
3．初始化分析
正如前面所述，目前社會上很多人只能完成針對某些特定U盤的讀寫，本實驗中的重點就是先完成U盤的初始化，讓單片機先能認識大多數(shù)U盤，然后對它們進行批處理方式的讀寫，再從U盤或移動硬盤加載文件系統(tǒng)，最后完成對U盤或移動硬盤在文件級別上的讀寫。
當主機檢測到一個設備已經(jīng)連接時,就會自動識別所連接的設備,這個過程稱為設備枚舉(Device Enumeration).設備枚舉使得主機的設備驅動程序能夠與USB設備之間進行數(shù)據(jù)交換.在這個過程中,USB設備需要響應主機的標準設備請求并把描述符傳送給主機,這些描述符包括設備描述符,配置描述符,接口描述符和端點描述符等42]。在沒有對U盤完成初始化之前，單片機只能看到U盤的端點0，其他端點對于單片機來說是透明的。因此，我們只能從端點0即控制通道中對U盤進行配置，讀進U盤的必要的配置信息后再對U盤的各端點進行配置。一般的傳輸數(shù)據(jù)大小不為0的控制傳輸?shù)倪^程可分為3個階段[3]。
第一階段，是控制傳輸?shù)慕㈦A段。
在這階段里，我們首先要建一個用于建立控制傳輸事務的PTD數(shù)據(jù)，然后往U盤發(fā)送。
這里有一個需要注意的地方，在每次用于發(fā)送的函數(shù)執(zhí)行以后，要加上一定的延時，等待U盤對發(fā)過來的指令進行處理。我們要讀取描述表，就要向U盤發(fā)送USB設備的標準設備請求命令。比如獲取U盤描述表的USB標準設備請求命令為“0680 0100 0000 0012”。把上述命令寫入PTD數(shù)據(jù)的負載區(qū)，然后發(fā)送，延時等待。
第二階段，是數(shù)據(jù)階段。
標準設備請求命令發(fā)送后，U盤就會把設備描述表發(fā)過來，這時我們就準備接收了。
在這里有一個問題要解決，就是最大包長度的問題。每個U盤在0通道里都規(guī)定了一個最大包的長度，可以是8，16，32或64字節(jié)。舉個例子：這次要傳輸?shù)拿枋霰淼拈L度為18字節(jié)。假設U盤的最大包長度為8字節(jié)，那就分三次接收，8+8+2字節(jié)。若最大包長度為16字節(jié)，就分兩次接收，16+2字節(jié)。如果最大包長度為32字節(jié)或者64字節(jié)，就可以一次完成。為了得到這個U盤的最大包長度，可以進行試探，然后用一個公共變量把最大包長度記錄下來。判斷原理如下：先建立一個大小為8字節(jié)的接收區(qū)進行接收，然后監(jiān)視PTD頭的COMPLETE CODE字段（參考1161芯片中PTD數(shù)據(jù)的建立過程），如果該字段出現(xiàn)1000（二進制）的錯誤，就證明最大包長比8大，然后再建立16字節(jié)的接收區(qū)接收，如果還出現(xiàn)1000的錯誤的話，就再用稍大的包進行嘗試，直到COMPLETE CODE字段出現(xiàn)0000為止。這樣，就得出了該U盤0通道的最大包長度。下圖2總結了讀入描述表的過程。
第三階段，是狀態(tài)階段。
在狀態(tài)階段里，單片機要向U盤發(fā)送一個空數(shù)據(jù)負載的PTD數(shù)據(jù)，以向U盤匯報此次控制傳輸已經(jīng)完成。
配置表的讀取過程和描述表過程差不多，這里就不再加以敘述了。在完成描述表和配置表的讀取以后，就可以往U盤發(fā)送標準設備請求命令SET CONFIG對U盤進行配置了，至此，枚舉過程結束。到此為止，本例單片機對U盤的初始化過程也已基本完成。
實驗證明，此方案確實解決了大部分U盤的讀寫，但由于USB單片機系統(tǒng)對時序要求很嚴，測試過程也有一定困難，目前還不能解決所有U盤及移動硬盤的讀寫，為解決這一問題，我們又采用了南京恒沁電子公司的CH375芯片作為USB主控芯片，該芯片集成了處理Mass Storage存儲的專用通信協(xié)議的固件，單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫存儲設備。初步實驗證明，它能解決目前市場上幾乎所有的U盤及移動硬盤的讀寫。
CH375的優(yōu)點是處理Mass Storage存儲設備比較方便，缺點是只有一個USB接口，如果視頻采集和數(shù)據(jù)存儲同時處理就需要2個CH375芯片；只支持USB1.1協(xié)議，內(nèi)部緩沖區(qū)只有64字節(jié)，數(shù)據(jù)吞吐量比較小，對于高速的視頻采集難以滿足要求。ISP1161A1的優(yōu)點是有2個USB HOST接口和1個USB DEVICE接口，支持USB2.0協(xié)議，內(nèi)部緩沖區(qū)為4K字節(jié)，數(shù)據(jù)吞吐量大；缺點是沒有Mass Storage的專用通信協(xié)議的固件，應用開發(fā)比較費事。
3．結束語
文中論述的基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲方案現(xiàn)已完成了模塊調試。實際測試中,將終端的模擬采集數(shù)據(jù)送入U盤,以ASCII文件方式存儲,成功存入自定的文件中，可在PC 機中打開, 也可以直接用上層測控軟件進行進一步的處理。
本文的研究是在水利自動化的背景下進行的，但在結構上這種終端明顯具有廣泛的適應性。除了應用于水利自動化信息測報外，還可以用于電力系統(tǒng)的現(xiàn)場測報和數(shù)據(jù)記錄、交通智能化管理以及環(huán)保、氣象、地質、民用領域如數(shù)碼相機等。因此，文中研究的設計模式和實現(xiàn)技術的應用前景將是非常廣闊的。
參考文獻：
[1] Don Anderson. Universal Serial Bus System Architecture [M].Addison Wesley Longman, Inc,2000
[2] Don Anderson. USB系統(tǒng)體系[M].北京:中國電力出版社,2001
[3] Philips Semiconductors:《ISP1161A1 USB single-chip host and device controller, Programming Guide》，2004
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66821730(技術支持)
