【導(dǎo)讀】范的完善和成熟，USB外設(shè)和的各類不斷豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。中，USB主要是PC扮演著主機的角色。根據(jù)USB的規(guī)范，可以看到USB的拓樸結(jié)構(gòu)中。居核心地位的是主機，每一次數(shù)據(jù)傳輸必須由主機發(fā)起和控制。機系統(tǒng)中實現(xiàn)對USB外設(shè)控制也變得日益迫切。尤其在一些需要轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的設(shè)備、儀。器上提供能夠使用USB移動儲存設(shè)備的接口已經(jīng)變得非常有必要。本課題的研究目標(biāo)。寫控制器，以實現(xiàn)對設(shè)備、儀器相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。單片機只要在原硬件系統(tǒng)中增加1個CH375芯片

　　

【正文】 T1IN）、 14腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳（ R2IN）、 9腳（ R2OUT）、 10腳（ T2IN）、 7腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN輸入轉(zhuǎn)換成 RS232數(shù)據(jù)從 T1OUT、 T2OUT送到電腦 DB9插頭；DB9插頭的 RS232數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT輸出。 第三部分是供電。 15腳 GND、 16腳 VCC（ +5v）。 主要特點： 符合所有的 RS232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 只需要單一 +5V電源供電 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生 +10V和 10V電壓 V+、 V 功耗低，典型供電電流 5mA 內(nèi)部集成 2個 RS232C驅(qū)動器內(nèi)部集成兩個 RS232C接收器 注意事項： 232是電荷泵芯片，可以完成兩路 TTL/RS232電平的轉(zhuǎn)換，它的的 112引腳是 TTL電平端，用來連接單片機的。 RS232(DB9) RS232C 標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是 EIARS232C 標(biāo)準(zhǔn)，其中 EIA (Electronic Industry Association)代表美國電子工業(yè)協(xié)會， RS（ remeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)， 232 是標(biāo)識號， C 代表 RS232 的最新一次修改（ 1969），在這之前，有 RS232B、 RS232A。它規(guī)定連接電纜和機械、電氣特性、信號功能及傳送過程。常用物理標(biāo)準(zhǔn)還有有 EIA RS422A、 EIA RS423A、 EIA RS485。 這里只介紹 EIA RS232C（簡稱 232， RS232）。 例如，目前在 IBM PC 機上的COM COM2 接口，就是 RS232C 接口。 針腳定義 1腳： 載波檢測 CD 2腳 : 接收數(shù)據(jù) RXD 3腳 : 發(fā)送數(shù) 據(jù) TXD 4腳 : 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 DTR 5腳 : 信號地 SG 6腳 : 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 DSR 7腳 : 請求發(fā)送 RTS 8腳 : 清除發(fā)送 CTS 9腳 : 振鈴提示 RI EIARS232C 對電器特性、 邏輯電平 和各種信號線功能都作了規(guī)定。 在 TxD 和 RxD 上： 邏輯 1(MARK)=3V～ 15V 邏輯 0(SPACE)=+3～ +15V 在 RTS、 CTS、 DSR、 DTR 和 DCD等控制線上： 信號有效（接通， ON狀態(tài)，正電壓）＝ +3V～ +15V 信號無效（斷開， OFF 狀態(tài)，負電壓 )=3V～ 15V 以上規(guī)定說明了 RS323C 標(biāo)準(zhǔn)對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“ 1”（傳號）的電平低于 3V，邏輯“ 0”（空號）的電平高于 +3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ ON）即信號有效的電平高于 +3V，斷開狀態(tài) (OFF)即信號無效的電平低于 3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對值大于 3V 時，電路可以有效地檢查出來，介 于 3～ +3V之間的電壓無意義，低于 15V或高于 +15V 的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應(yīng)保證電平在177。 (3～ 15)V 之間。 EIA RS232C 與 TTL轉(zhuǎn)換： EIA RS232C 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與 TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的 TTL 器件連接，必須在 EIA RS232C 與 TTL 電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如 MC148 SN75150 芯片可 完成 TTL電平到 EIA電平的轉(zhuǎn)換，而 MC148 SN75154 可實現(xiàn) EIA 電平到 TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232 芯片可完成 TTL←→ EIA 雙向電平轉(zhuǎn)換。 按鍵控制模塊 S1: S2: S3: S4: LED 顯示模塊 四 、 軟件設(shè)計 分析 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。 軟件系統(tǒng)模塊 ① 進入 USB 主機模式，要讀 /寫 U 盤，必須先設(shè)置 CH375 使其工作于 USB 主機方式。 ② 將 U 盤當(dāng)作存儲器進行讀／寫，方法與讀／寫閃存差不多，操作簡單且速度快。單片機讀／寫 U 盤文件程序分層如圖所示 圖 3 單片機讀／寫 U盤文件程序分層圖 USB 模塊負責(zé)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， FAT 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，并口數(shù)據(jù)接收流程如圖所示。 圖 4 軟件設(shè)計流程圖 圖 18 UFI結(jié)構(gòu) 圖 19 命令與數(shù)據(jù)字結(jié)構(gòu) 主模塊 單片機讀寫 U 盤文件 （ USB 存儲 設(shè)備的文 件級 接口） 圖 10 單片機讀寫 U 盤文件 一 般 情況 下，單片機 或 嵌 入式系 統(tǒng) 處理 USB 存儲 設(shè)備的文 件 系統(tǒng) 需要實現(xiàn) 上 圖左邊 的 4 個 層 次 ， 右 邊 是 USB 存儲 設(shè)備的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 層 次 。 由 于 CH375 不 僅 是一個通用的USBHOST 硬件 接口芯片，還 內(nèi)置 了相關(guān)的 固件程序 ，包含了上 圖左 邊 的 3 個 層 次 （ 標(biāo)為 灰色 部 分 ）， 所 以 實 際 的單片機 程序只需要處理 FAT 文 件 系統(tǒng) 層 ， 并 且即 使 這 一 層也 可以 由 CH375 的 U 盤 文 件級子程序庫實現(xiàn) 。 如 果 不 需要處理 文 件 系統(tǒng)， 也就 是 不 處理 上 圖左 邊 的 最 頂層 ， 那么 CH375 直 接提供了數(shù)據(jù) 塊 的讀寫接口，以 512 字節(jié) 的 物 理扇區(qū)為基 本讀寫單位， 從 而 將 USB 存儲 設(shè)備 簡化為 一 種 外 部數(shù)據(jù) 存儲 器，單片機可以 自 由 讀寫 USB 存儲 設(shè)備中的數(shù)據(jù)， 也 可以自 由定 義 其 數(shù)據(jù) 結(jié) 構(gòu) 。 由 于 計算 機 將 USB 存儲 設(shè)備 組 織 為 文 件 系統(tǒng)， 為 了方便單片機通過 USB移 動存儲設(shè)備與 計算 機 之 間 交 換 數(shù)據(jù)，單片機 也 可以 將 USB 存儲 設(shè)備 組 織 為 文 件 系統(tǒng)， 也就 是處理 上 圖左 邊 的 最 頂層 。 本地端的單片機軟件 CH375 芯片 占 用 兩 個地 址 位， 當(dāng) A0 引腳為 高 電 平時 選 擇 命令 端口，可以寫入 命令 ；當(dāng) A0引腳為低電 平時 選 擇 數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)。 單片機通過 8 位 并 口 對 CH375 芯片 進 行讀寫， 所 有 操作 都 是 由 一個 命令 碼 、 若干個輸 入數(shù)據(jù)和 若干 個輸出數(shù)據(jù) 組 成 ，部 分 命令 不 需要 輸入數(shù)據(jù)，部 分 命令 沒有輸出數(shù)據(jù)。 命令 操作 步 驟 如 下： ① 、 在 A0=1 時向 命令 端口寫入 命令 代碼 ； ② 、 如 果 該 命令 具有輸入數(shù)據(jù)， 則 在 A0=0 時 依次 寫入輸入數(shù)據(jù)， 每次 一個 字節(jié) ； ③ 、 如 果 該 命令 具有輸出數(shù)據(jù)， 則 在 A0=0 時 依次 讀 取 輸出數(shù)據(jù)， 每次 一個 字節(jié) ； ④ 、 命令 完 成 ，可以 暫停 或 者 轉(zhuǎn) 到 ① 繼續(xù)執(zhí) 行下一個 命令 。 CH375 芯片 專 門 用 于 處理 USB 通訊，在 檢測 到 USB 總線的 狀 態(tài) 變 化 時 或 者 命令 執(zhí)行完 成后 ， CH375 以中斷方式通 知 單片機 進 行 處理 。 絕對最 大值 （ 臨界 或 者 超 過 絕 對 最大值將 可能 導(dǎo)致 芯片 工作 不 正 常 甚 至 損壞 ） 電氣參數(shù) （ 測 試 條 件 ： TA=25℃ ， VCC=5V， 不 包 括 連接 USB 總線的 引腳 ） （ 如 果 電源電壓為 ， 則 表 中 所 有 電 流 參數(shù) 需要 乘 以 40％ 的系數(shù)） 注 ： ACT引腳 的 低電 平 吸 入 電 流 為 4mA， 高 電 平 輸出 電 流 為 200uA。 在 CH375 芯片 復(fù) 位 期間 INT引腳 和 TXD 引腳只 能提供 80uA 的 高 電 平 輸出 電 流 。 時序參數(shù) （ 測 試 條 件 ： TA=25℃ ， VCC=5V 或 者 VCC=V3=，參考 附 圖 ） （ RD 是 指 RD信 號 有 效并 且 CS信 號 有 效 ， RD=CS=0 執(zhí) 行讀 操作 ） （ WR 是 指 WR信 號 有 效并 且 CS信 號 有 效 ， WR=CS=0 執(zhí) 行寫 操作 ） （ 適 用 于 CH375A； 如 果 是 CH375S， 那么 TE0=TSX=TSC=TCC=， TSD=TCD=） 圖 7 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。 USB 模塊 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。 BULK 模塊 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、 BulkOnly 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， BulkOnly 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 BulkOnly 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。 BulkOnly 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 BulkOut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 16 所示，各域含義如下： 圖 16 CBW包結(jié)構(gòu)如圖 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