基于單片機的U盤讀寫

1、基于單片機的U盤數(shù)據(jù)傳輸裝置 機電工程學院測控技術(shù)與儀器專業(yè) 李朋飛 摘要:隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，各種嵌入式系統(tǒng)的逐漸應用于工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制之中。USB總線技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳輸和采集技術(shù)，變得簡單，易攜和方便使用。基于USB總線技術(shù)的USB儲存設(shè)備簡稱U盤，它具有支持熱拔熱插，儲存量大，耐用，和輕巧方便的特點。基于單片機技術(shù)的U盤數(shù)據(jù)采集是把單片機系統(tǒng)作為主機系統(tǒng)，再利用支持USB總線協(xié)議的U盤讀寫芯片或者模塊來完成工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集或者傳輸。這樣，便可以把U盤的大容量存儲，方便易用的功能從PC機系統(tǒng)擴展到單片機系統(tǒng)中，可以方便在室外進行大量數(shù)據(jù)的采集。例如，可以將單片機系統(tǒng)中AD

2、轉(zhuǎn)換后采集到的數(shù)據(jù)，儲存到U盤之中，以便于利用計算機對數(shù)據(jù)經(jīng)行整理或分析。本文主要介紹一種技術(shù)成熟U盤讀寫芯片CH375和以此芯片為核心的U盤讀寫模塊，簡單介紹了CH375芯片的構(gòu)造和特點，以及U盤模塊的應用特點。再次，介紹了串口版U盤模塊的應用，并設(shè)計了串口模塊和單片機之間的通信的應用方式，并附有模塊和單片機之間采用RS232電平進行通信的連接電路圖。同時，還簡單的介紹了，U盤讀寫之中需要注意的幾個協(xié)議等。最后附錄中的程序提供了一個能夠?qū)崿F(xiàn)單片機以字節(jié)的方式對U盤的讀和寫的程序。關(guān)鍵詞：單片機 U盤 USB2.0 U盤模塊 串口 通信 RS232接口 CH375 電平一， 引言半導體技術(shù)的發(fā)

3、展帶來計算機向微型化發(fā)展的革命，同時隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，USB（Universal Serial Bus）存儲設(shè)備的使用已經(jīng)非常普遍，USB 用于將適用USB 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。它最大的特點是易于使用，攜帶方便，主要是用在中速,低速的外設(shè)。隨著USB 規(guī)范的完善和成熟，USB 外設(shè)的種類不斷豐富，應用領(lǐng)域也不斷擴大。在傳統(tǒng)的應用中，主要是PC 扮演著主機的角色。根據(jù)USB 的規(guī)范，可以看到在USB 的拓樸結(jié)構(gòu)中居于核心地位的是主機，每一次的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機發(fā)起和控制。但是隨著單片機產(chǎn)品應用

4、領(lǐng)域的日益增長，USB 外設(shè)的應用范圍也隨之擴大，為此在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)對USB外設(shè)控制也變得日益迫切。因此在一些需要轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)的設(shè)備，儀器上使用USB移動存儲設(shè)備接口的芯片便相繼產(chǎn)生了，CH375 就是其中之一，它是一個USB 總線的通用接口芯片，支持HOST 主機方式和SLAVE 設(shè)備方式。如今的USB 就象當日的RS232，最終發(fā)展必是業(yè)界的主流外設(shè)接口技術(shù)。USB 有著其它接口不可替代的優(yōu)勢。隨著USB 技術(shù)的發(fā)展，計算機的移動存儲介質(zhì)普遍采用U 盤或移動硬盤。如今，USB 技術(shù)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)

5、采集和單片機用戶對移動存儲的需求越來越大，具有USB 接口的存儲設(shè)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，所以在單片機系統(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。二， 研究的意義 USB是近年發(fā)展起來的一種快速、靈活的總線接口。它最大的特點是易于使用、可熱插拔、接口連接靈活，并且能夠提供外設(shè)電源，在嵌人式系統(tǒng)及智能儀表中得到廣泛的應用。而51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術(shù)、高性價比被廣應用于測控儀器等自動化領(lǐng)域。因此用51系列單片機實現(xiàn)USB主機接口，進而實現(xiàn)對USB外設(shè)的控制，對提高整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制等性能都有很大的作用。根據(jù)我們的調(diào)查和了解，

6、我們發(fā)現(xiàn)，隨著Flash Memory非易失存儲技術(shù)的發(fā)展，基于USB接口的閃存即U盤現(xiàn)已得到廣泛應用。從理論上講，以U盤作為便攜式采集存儲系統(tǒng)的存儲載體完全能夠滿足長時間采集海量數(shù)據(jù)的要求。但目前所面臨的問題是，U盤主要應用于PC機系統(tǒng)中。以單片機等微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的應用中，尚缺少與U盤的直接接口技術(shù)。因此將單片機技術(shù)與U盤存儲技術(shù)兩者結(jié)合起來，利用單片機直接讀寫U盤，并通過總線方式與嵌入式系統(tǒng)的其它部分實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的通信。采用單片機直接控制讀寫U盤，關(guān)鍵在于USB-HOST技術(shù)的實現(xiàn)，即單片機作為USB主機系統(tǒng)。USB系統(tǒng)包括兩部分：USB主機和USB外設(shè)，它們組合在一起就構(gòu)成

7、了完整的USB系統(tǒng)。USB的拓撲結(jié)構(gòu)中居于核心地位的是Host（也稱為主機），任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制，所有的USB外設(shè)都只能和主機建立連接，任何兩個外設(shè)之間或是兩個主機之間無法直接通信。鑒于復雜的USB協(xié)議，我們覺得可以采用USB讀寫模塊，這樣只要將USB讀寫模塊嵌入到用戶單片機系統(tǒng)中，就可以通過單片機的串口與USB讀寫模塊之間的通信，進而讀寫U盤里面的數(shù)據(jù)，還可以方便的利用U盤儲存海量的AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)等。三 , USB總線接口芯片CH3753.1 概述： CH375 是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備

8、方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB主機方式下，CH375還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機/DSP/MCU/MPU 等相連接。CH375的USB 主機方式支持常用的USB 全速設(shè)備，外部單片機可以通過CH375 按照相應的USB 協(xié)議與USB 設(shè)備通訊。CH375 還內(nèi)置了處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲設(shè)備（包括USB 硬盤/USB閃存盤/U 盤）3.2 特點

9、1）全速USB-HOST 主機接口，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。 2）全速設(shè)備接口，完全兼容CH372 芯片，支持動態(tài)切換主機與設(shè)備方式。 3）主機端點輸入和輸出緩沖區(qū)各64 字節(jié)，支持常用的12Mbps 全速USB 設(shè)備。 4）支持USB 設(shè)備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。 5）自動檢測USB 設(shè)備的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。 6）內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。 7） 內(nèi)置固件處理海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議，支持Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB 存儲設(shè)備（包括USB 硬盤/USB 閃存盤/U 盤

10、）。 8）通過U 盤文件級子程序庫實現(xiàn)單片機讀寫USB 存儲設(shè)備中的文件。 9）并行接口包含8 位數(shù)據(jù)總線，4 線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出。 10）串行接口包含串行輸入、串行輸出、中斷輸出，支持通訊波特率動態(tài)調(diào)整。 11）支持5V 電源電壓和3.3V 電源電壓，CH375A 芯片還支持低功耗模式。 12）采用SOP-28 封裝，可以提供SOP28 到DIP28 的轉(zhuǎn)換板。 圖1 CH375各引腳說明3.3 功能說明CH375 芯片可以工作于USB-HOST 主機方式或者USB 設(shè)備方式。CH375的USB 主機方式支持并行接口和串行接口。在USB主機方式下，CH375支持各種常

11、用的USB全速設(shè)備，外部單片機需要編寫固件程序按照相應的USB協(xié)議與USB 設(shè)備通訊。但是對于USB存儲設(shè)備，CH375 內(nèi)置了相關(guān)協(xié)議，通常情況下，外部單片機不需要編寫固件程序，就可以直接通訊。CH375 芯片在本地端提供了通用的被動并行接口和點對點的串行接口。圖2 CH375芯片的電器參數(shù)3.4 CH375工作于串口模式下 串行接口只能用于USB 主機方式，CH375 芯片的USB 設(shè)備方式不支持串口。串口信號線包括：串行數(shù)據(jù)輸入引腳RXD、串行數(shù)據(jù)輸出引腳TXD、中斷輸出引腳INT#。通過串行接口，CH375 可以用最少的連線與單片機、DSP、MCU 進行較遠距離的點對點連接。CH375

12、芯片的RXD 和TXD可以分別連接到單片機的串行數(shù)據(jù)輸出引腳和串行數(shù)據(jù)輸入引腳。INT#輸出的中斷請求是低電平有效，用于通知單片機。CH375 的串行數(shù)據(jù)格式是1個起始位、9個數(shù)據(jù)位、1個停止位，其中前8個數(shù)據(jù)位是一個字節(jié)數(shù)據(jù)，最后1個數(shù)據(jù)位是命令標志位。第9位為0時，前8位的數(shù)據(jù)被寫入CH375芯片中，第9位為1時，前8位被作為命令碼寫入CH375芯片中。CH375的串行通訊波特率默認是9600bps，單片機可以隨時通過SET_BAUDRATE 命令選擇合適的通訊波特率。3.5 其它功能簡介 在CH375 芯片的復位期間，TXD引腳用于選擇通訊接口。如果CH375 在復位期間檢測到TXD引腳

13、為低電平則啟用并行接口，否則啟用串行接口。如果啟用串行接口，那么復位完成后TXD引腳將用于串行數(shù)據(jù)輸出，并且CH375 芯片只能工作于USB 主機方式。 CH375芯片的ACT#引腳用于狀態(tài)指示。在內(nèi)置固件的USB設(shè)備方式下，當USB 設(shè)備尚未配置或者取消配置后，該引腳輸出高電平；當USB 設(shè)備配置完成后，該引腳輸出低電平。對于CH375A 芯片，在USB主機方式下，當USB 設(shè)備斷開后，該引腳輸出高電平；當USB設(shè)備連接后，該引腳輸出低電平。CH375 的ACT#引腳可以外接串了限流電阻的發(fā)光二級管LED，用于指示相關(guān)的狀態(tài)。CH375 芯片的UD+和UD-引腳是USB 信號線，工作于USB

14、 設(shè)備方式時，應該直接連接到USB總線上；工作于USB 主機方式時，可以直接連接到USB設(shè)備。如果為了芯片安全而串接保險電阻或者電感，那么交直流等效串聯(lián)電阻應該在5之內(nèi)。CH375芯片內(nèi)置了電源上電復位電路，一般情況下，不需要外部提供復位。RSTI 引腳用于從外部輸入異步復位信號；當RSTI 引腳為高電平時，CH375芯片被復位；當RSTI 引腳恢復為低電平后，CH375會繼續(xù)延時復位20mS 左右，然后進入正常工作狀態(tài)。為了在電源上電期間可靠復位并且減少外部干擾，可以在RSTI引腳與VCC 之間跨接一個容量為0.47uF 左右的電容。RST引腳和RST#引腳是復位狀態(tài)輸出引腳，分別是高電平有

15、效和低電平有效；當CH375電源上電復位或者被外部強制復位以及復位延時期間，RST 引腳和RST#引腳分別輸出高電平和低電平；CH375復位完成后，RST 引腳和RST#引腳分別恢復到低電平和高電平。RST 和RST#引腳可以用于向外部單片機提供上電復位信號。 CH375芯片正常工作時需要外部為其提供12MHz 的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由CH375內(nèi)置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生。外圍電路只需要在XI 和XO 引腳之間連接一個標稱頻率為12MHz的晶體，并且分別為XI 和XO 引腳對地連接一個高頻振蕩電容。如果從外部直接輸入12MHz時鐘信號，那么應該從XI 引腳輸入，而XO 引腳懸空

16、。CH375芯片支持5V電源電壓或者3.3V 電源電壓。當使用5V 工作電壓時，CH375 芯片的VCC引腳輸入外部5V 電源，并且V3 引腳應該外接容量為0.01uF 左右的電源退耦電容。當使用3.3V 工作電壓時，CH375 芯片的V3引腳應該與VCC引腳相連接，同時輸入外部的3.3V 電源，并且與CH375 芯片相連接的其它電路的工作電壓不能超過3.3V。3.6 內(nèi)部結(jié)構(gòu) CH375 芯片內(nèi)部集成了PLL 倍頻器、主從USB 接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。PLL 倍頻器用于將外部輸入的12MHz 時鐘倍頻到48MH

17、z，作為USB 接口SIE 時鐘。 主從USB 接口SIE是USB主機方式和USB設(shè)備方式的一體式SIE，用于完成物理的USB數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，自動處理位跟蹤和同步、NRZI編碼和解碼、位填充、并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換、CRC數(shù)據(jù)校驗、事務握手、出錯重試、USB 總線狀態(tài)檢測等。 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于緩沖USB 接口SIE 收發(fā)的數(shù)據(jù)。 被動并行接口用于與外部單片機/DSP/MCU 交換數(shù)據(jù)。 異步串行接口用于代替被動并行接口與外部單片機/DSP/MCU 交換數(shù)據(jù)。 命令解釋器用于分析并執(zhí)行外部單片機/DSP/MCU 提交的各種命令。 控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器用于自動處理常用的控制傳輸?shù)亩鄠€階段，簡化

18、外部固件編程。 通用的固件程序包含兩組：一組用于USB 設(shè)備方式，自動處理USB默認端點0 的各種標準事務等；另一組用于USB 主機方式，自動處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議。 CH375 芯片內(nèi)部具有7 個物理端點： 端點0 是默認端點，支持上傳和下傳，上傳和下傳緩沖區(qū)各是8 個字節(jié)； 端點1包括上傳端點和下傳端點，上傳和下傳緩沖區(qū)各是8個字節(jié)，上傳端點的端點號是81H，下傳端點的端點號是01H； 端點2 包括上傳端點和下傳端點，上傳和下傳緩沖區(qū)各是64 個字節(jié)，上傳端點的端點號是82H，下傳端點的端點號是02H； 主機端點包括輸出端點和輸入端點，輸出和輸入緩沖區(qū)各是

19、64 個字節(jié)，主機端點與端點2合用同一組緩沖區(qū)，主機端點的輸出緩沖區(qū)就是端點2 的上傳緩沖區(qū)，主機端點的輸入緩沖區(qū)就是端點2 的下傳緩沖區(qū)。 CH375 的端點0、1、2 只用于USB 設(shè)備方式，在USB 主機方式下只需要用到主機端點。在USB 主機方式下，CH375 支持各種常用的USB 全速設(shè)備。USB 設(shè)備的端點號可以是015，兩個方向最多支持31 個端點，USB 設(shè)備的包長度可以是064 字節(jié)。 內(nèi)置固件可以處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的通訊協(xié)議，要求USB 存儲設(shè)備支持Bulk-Only傳輸協(xié)議，支持SCSI、UFI、RBC或者等效的命令集，并且數(shù)據(jù)端點的最大包長度是6

20、4 字節(jié)，但是默認端點0 的最大包長度可以是8、16、32 或者64 字節(jié)。如果USB 存儲設(shè)備不符合上述要求，則需要外部單片機通過控制傳輸以及ISSUE_TOKEN 命令或者ISSUE_TKN_X命令自行處理相關(guān)通訊協(xié)議。圖3 CH375芯片內(nèi)部中斷邏輯圖3.7 本地端的單片機軟件 CH375芯片占用兩個地址位，當A0 引腳為高電平時選擇命令端口，可以寫入命令；當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：、在A0=1

21、 時向命令端口寫入命令代碼；、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)；、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)；、命令完成，可以暫?；蛘咿D(zhuǎn)到繼續(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。3.8 單片機讀寫U盤文件 圖4 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USB-HOST 硬件接口芯

22、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

23、左邊的最頂層。 CH375以C語言子程序庫提供了USB存儲設(shè)備的文件級接口，這些應用層接口API包含了常用的文件級操作，可以移植并嵌入到各種常用的單片機程序中。 CH375 的U 盤文件級子程序庫具有以下特性：支持常用的FAT12、FAT16 和FAT32 文件系統(tǒng)，磁盤容量可達100GB 以上，支持多級子目錄，支持8.3 格式的大寫字母和中文文件名，可以支持小寫字母或者長文件名，支持文件打開、新建、刪除、讀寫以及搜索等。 CH375 的文件級子程序庫需要大約600 字節(jié)的隨機存儲器RAM 作為緩沖區(qū)。以普通的MCS-51 單片機為例，文件系統(tǒng)的全部子程序有4KB 到8KB 代碼，并且需要大約

24、80 字節(jié)的內(nèi)部RAM 和512 字節(jié)的外部RAM 作為緩沖區(qū)。 四，串口版U盤讀寫模塊的說明 模塊具有兩個外部接口：P1 是USB 插座，可以直接插入U 盤或者通過USB 延長線連接U盤，當進行程序升級或者重新配置時應該通過USB 對連線連接計算機的USB 端口；P2 是16 腳的雙排針或者插座，用于連接單片機系統(tǒng)。圖5 串口版U盤模塊正反外觀圖 在串口方式下，單片機與模塊的P2 端口相連接，只需要使用高8 腳（第9 腳到第16腳），其余引腳可以不連接。模塊可以通過串行輸入SIN、串行輸出SOUT 連接到單片機的異步串口，除此之外，啟動輸入STA#還應該連接到單片機的一個I/O 引腳，而中斷

25、輸出INT#可以根據(jù)需要決定是否連接到單片機的中斷引腳。 模塊的串口是1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、1位停止位的異步串口，串口的通訊波特率可以在功能配置時設(shè)定，如果未設(shè)定那么默認是4800bps（與晶體X2 的頻率有關(guān)），單片機系統(tǒng)可以根據(jù)需要通過CMD_BaudRate 命令設(shè)定更高的波特率。如果在功能配置時選擇檢查串口超時，那么在通過串口輸入命令包時，模塊會檢查串口數(shù)據(jù)輸入超時，如果連續(xù)兩個數(shù)據(jù)字節(jié)之間的間隔大于串口輸入超時時間，則模塊將放棄該命令包。 4+1 線串口是指GND、SIN、SOUT、STA#和可選的INT#，P2 引腳定義如下：圖6 模塊引腳定義圖 為了節(jié)約單片機的I/O 引腳

26、，模塊還支持三線制串口，在這種方式下，單片機與模塊之間只需要連接SIN 和SOUT 兩根信號線及公共地線，單片機通過串口發(fā)送兩個同步碼字節(jié)（57H、ABH）代替原來向模塊的STA#引腳提供的啟動信號，實現(xiàn)與模塊的命令同步。在通過串口輸入兩個同步碼字節(jié)時，模塊會檢查串口數(shù)據(jù)輸入超時，如果連續(xù)兩個數(shù)據(jù)字節(jié)之間的間隔大于串口輸入超時時間，則模塊將放棄該同步碼及命令包。圖7 TTL電平轉(zhuǎn)RS232電平經(jīng)行通信的串口模塊電路圖 圖8 串口版模塊與單片機之間的電路連接圖圖9 單片機系統(tǒng)串口與RS232借口連接電路圖圖10 單片機系統(tǒng)和模塊之間連接的實物圖六，軟件設(shè)計 為了使上位PC 機能夠直接讀取該讀寫器

27、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。6.1 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)具體的應用來選擇使用控制傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸

28、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。6.2 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、

29、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

30、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 事務以主機向設(shè)備發(fā)送CBW（Command Block Warp）包，并以建立相應的數(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

31、序傳輸。CBW包結(jié)構(gòu)如圖所示，各域含義如下： 圖10 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）

32、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)如圖所示，各域含義如下： 圖11 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，

33、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

34、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。6.3 FAT

35、32 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

36、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。7.4 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

37、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

38、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。 串口或并口數(shù)據(jù)接收流程如圖所示。 圖12 UFI結(jié)構(gòu) 圖13 命令與數(shù)據(jù)字結(jié)構(gòu)七，總結(jié) 此次科研立項是我們從大學生活重要的一步。從最初的選題，開題到查資料、設(shè)計電路，編寫程序直到完成設(shè)計。其間，查找資料，老師指導，與同學交流，反復修改電路和程序，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。 通過這次實踐，我了解了單片機讀寫U 盤的用途及工作原理，熟悉了單片機讀寫U 盤的設(shè)計步驟，鍛煉了工程設(shè)計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計能力。此次科研立項是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是我為未來的單片機和嵌

39、入式開發(fā)與應用的的一次熱身。 通過這次科研立項收獲很多，比如學會了查找相關(guān)資料相關(guān)標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的電路設(shè)計和程序設(shè)計的能力，懂得了許多經(jīng)驗公式的獲得是前人不懈努力的結(jié)果。同時，仍有很多課題需要后來人去努力去完善。 但是這次科研立項也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應用專業(yè)知識的能力，對集成芯片的不了解等等。這次科研立項是對自己到現(xiàn)在為止大學所學的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然大學生活已經(jīng)過了一大半，但是自己的求學之路還很長，以后更應該在有限的大學生活學習中，努力的學習好專業(yè)文化知識和動手能力，同時也要提高自己各方面的綜合素質(zhì)，努力使自己成為一個對社會有所貢

40、獻的人。參考文獻：【1】基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 沈紅衛(wèi)著，電子工業(yè)出版社【2】單片機技術(shù)應用朱運利著，機械工業(yè)出版社【3】MCS-51 單片機開發(fā)與應用指南孫永浩著 黑龍江科學技術(shù)出版社【4】EZ-USB FX2單片機原理，編程及應用錢峰著，北京航空航天大學出版社【5】CH375中文技術(shù)手冊【6】串口版U盤讀寫模塊中文技術(shù)手冊附錄：以下程序可以演示單片機以字節(jié)的方式讀寫U盤，該程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：打開U盤中的一個文件EXAMBYTE.TXT，再新建一個文件NEWFILE.TXT，在NEWFILE.TXT文件中寫入“Note:這個程序是以字節(jié)為單位進行U盤文件讀寫的示例程序,首先從原文件中

41、讀出前20個字符,然后寫到本說明的后面：”然后從文件EXAMBYTE.TXT中讀取前20字節(jié)的數(shù)據(jù)，寫入文件NEWFILE.TXT中。即可實現(xiàn)單片機以字節(jié)對U盤讀和寫的功能。#include <reg51.h>#include <absacc.h>#include <string.h>#include <stdio.h>#define MAX_PATH_LEN32#include <CH375HM.H>unsigned charTempLength;unsigned char idataTempBuffer20;CMD_PARAMid

42、atamCmdParam;sbitLED_OUT=P04;sbit p2_0=P20;voidmDelaymS( unsigned char delay )unsigned chari, j, c;for ( i = delay; i != 0; i - ) for ( j = 200; j != 0; j - ) c += 3; for ( j = 200; j != 0; j - ) c += 3; voidmSendByte( unsigned char c )/* 發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)給CH375模塊 */TI = 0;SBUF = c;while ( TI = 0 );unsigned

43、charmRecvByte( )/* 從CH375模塊接收一個字節(jié)數(shù)據(jù) */unsigned charc; while ( RI = 0 );c = SBUF; RI = 0;return( c );unsigned charExecCommand( unsigned char cmd, unsigned char len )/* 命令函數(shù) */unsigned chari, j, status; mSendByte( SER_SYNC_CODE1 ); mSendByte( SER_SYNC_CODE2 ); mSendByte( cmd ); mSendByte( len ); RI =

44、0; if ( len ) while ( 1 ) status = mRecvByte(); if ( status = ERR_SUCCESS ) i = mRecvByte( ); LED_OUT = 0; if ( i ) j = 0; do j +; while ( - i ); break; else if ( status = USB_INT_DISK_READ | status = USB_INT_DISK_WRITE | status = USB_INT_DISK_RETRY ) break; else if ( status = ERR_DISK_DISCON | status = ERR_USB_CONNECT ) mDelaymS( 100 ); break; return( status );voidmStopIfError( unsigned char iError )/*錯誤檢測函數(shù)*/ unsign