基于單片機的U盤數(shù)據(jù)傳輸裝置設計論文

1、基于單片機的u盤數(shù)據(jù)傳輸裝置 摘要:隨著單片機技術的發(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總線技術的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳輸和采集技術，變得簡單，易攜和方便使用?；趗sb總線技術的usb儲存設備簡稱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?；趩纹瑱C技術的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轉換后采集到的數(shù)據(jù)，儲存到u盤之中，以便

2、于利用計算機對數(shù)據(jù)經行整理或分析。本文主要介紹一種技術成熟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實現(xiàn)單片機以字節(jié)的方式對u盤的讀和寫的程序。關鍵詞：單片機 u盤 usb2.0 u盤模塊 串口 通信 rs232接口 ch375 電平一， 引言半導體技術的發(fā)展帶來計算機向微型化發(fā)展的革命，同時隨著

3、計算機技術的快速發(fā)展，usb（universal serial bus）存儲設備的使用已經非常普遍，usb 用于將適用usb 的外圍設備(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€結構；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。隨著usb 規(guī)范的完善和成熟，usb 外設的種類不斷豐富，應用領域也不斷擴大。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 的拓樸結構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。但是隨著單片機產品應用領域的日益增長，usb 外設的應用范圍也

4、隨之擴大，為此在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)對usb外設控制也變得日益迫切。因此在一些需要轉存數(shù)據(jù)的設備，儀器上使用usb移動存儲設備接口的芯片便相繼產生了，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)界的主流外設接口技術。usb 有著其它接口不可替代的優(yōu)勢。隨著usb 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。如今，usb 技術已經越來越普及和成熟，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)采集和單片機用戶對移動存儲的需求越來越大

5、，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、高性價比被廣應用于測控儀器等自動化領域。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、設備控制等性能都有很大的作用。根據(jù)我們的調查和了解，我們發(fā)現(xiàn)，隨著flash memory非

6、易失存儲技術的發(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。因此將單片機技術與u盤存儲技術兩者結合起來，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，關鍵在于usb-host技術的實現(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，它們組合在一起就構成了完整的usb系統(tǒng)。usb的拓撲結構中居

7、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外設都只能和主機建立連接，任何兩個外設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設備方式。在本地端，ch375具有8位數(shù)據(jù)總

8、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 全速設備，外部單片機可以通過ch375 按照相應的usb 協(xié)議與usb 設備通訊。ch375 還內置了處理mass-storage 海量存儲設備的專用通訊協(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 存儲設備（包括usb 硬盤/usb閃存盤/u 盤）3.2 特點 1）全速usb-host 主機接口，兼容

9、usb v2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。 2）全速設備接口，完全兼容ch372 芯片，支持動態(tài)切換主機與設備方式。 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 設備。 4）支持usb 設備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。 5）自動檢測usb 設備的連接和斷開，提供設備連接和斷開的事件通知。 6）內置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。 7） 內置固件處理海量存儲設備的專用通訊協(xié)議，支持bulk-only傳輸協(xié)議和scsi、ufi、rbc 或等效命令集的usb 存儲設備（包括usb 硬盤/usb 閃存盤/u 盤）。 8）通過u 盤文件級子程序庫實現(xiàn)單

10、片機讀寫usb 存儲設備中的文件。 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支持各種常用的usb全速設備，外部單片機需要編寫固

11、件程序按照相應的usb協(xié)議與usb 設備通訊。但是對于usb存儲設備，ch375 內置了相關協(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芯片的rxd 和txd可以分別連接到單片

12、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引腳為低電平則啟用并行接口，否則啟用串行接口

13、。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。在內置固件的usb設備方式下，當usb 設備尚未配置或者取消配置后，該引腳輸出高電平；當usb 設備配置完成后，該引腳輸出低電平。對于ch375a 芯片，在usb主機方式下，當usb 設備斷開后，該引腳輸出高電平；當usb設備連接后，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，用于指示相關的狀態(tài)。ch375 芯片的ud+和ud-引腳是usb 信號線，工作于usb 設備方式時，應該直接連接到usb總線上

14、；工作于usb 主機方式時，可以直接連接到usb設備。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。ch375芯片內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，分別是高電平有效和低電平有效；當ch375電源上電復位

15、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內置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩產生。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。ch375芯片支持5v電源電壓或者3.

16、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 內部結構 ch375 芯片內部集成了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48mhz，作為usb 接口sie 時鐘。 主從

17、usb 接口sie是usb主機方式和usb設備方式的一體式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，簡化外部固件編程。 通用的固件程序包含兩組：

18、一組用于usb 設備方式，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 海量存儲設備的專用通訊協(xié)議。 ch375 芯片內部具有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64 個字節(jié)，主機端點與端點2合用同一組

19、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 全速設備。usb 設備的端點號可以是015，兩個方向最多支持31 個端點，usb 設備的包長度可以是064 字節(jié)。 內置固件可以處理mass-storage 海量存儲設備的通訊協(xié)議，要求usb 存儲設備支持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64 字節(jié)，但是默認端點0 的最大包長度可

20、以是8、16、32 或者64 字節(jié)。如果usb 存儲設備不符合上述要求，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命令自行處理相關通訊協(xié)議。圖3 ch375芯片內部中斷邏輯圖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 時向命令端口寫入命令代碼；、如果該命令

21、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 存儲設備的內部結構層次。由于ch375 不僅是一個通用的usb-host 硬件接口芯片，還內置了相關的固件程序，包含了上圖左

22、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 存儲設備中的數(shù)據(jù)，也可以自由定義其數(shù)據(jù)結構。由于計算機將usb 存儲設備組織為文件系統(tǒng)，為了方便單片機通過usb移動存儲設備與計算機之間交換數(shù)據(jù)，單片機也可以將usb 存儲設備組織為文件系統(tǒng)，也就是處理上圖左邊的最頂層。 ch375以c語言子程序

23、庫提供了usb存儲設備的文件級接口，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80 字節(jié)的內部ram 和512 字節(jié)的

24、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，而中斷輸出int#可以根據(jù)需要決定是否連接到單

25、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定，如果未設定那么默認是4800bps（與晶體x2 的頻率有關），單片機系統(tǒng)可以根據(jù)需要通過cmd_baudrate 命令設定更高的波特率。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，模塊還支持三線制串口，在這種方式下，單

26、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rs232電平經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，軟件設計 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

27、 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€結構，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。 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)傳輸不會丟失數(shù)據(jù)。 典型的批量數(shù)據(jù)包括象使用

28、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。 由設備自發(fā)產生的數(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 設備在任意時刻發(fā)起，而且usb 總線以不低于設備說明的速率進行傳輸。 同步數(shù)據(jù)在產生、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 設備分為5 大類，即顯示器、通信設備、音頻設備、人機輸入和海量存儲。通常所用的u 盤、移

29、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

30、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包結構如圖所示，各域含義如

31、下： 圖10 cbw包結構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 之間設備和主機不傳輸任何數(shù)據(jù)，并且設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，如果設備不支持多個邏輯單元號，則主機將這個域設置為0。6）cbwcb 長度，定義了cbwcb 的有

32、效長度，合法值為1-16。7）cbwcb。由設備執(zhí)行的命令，由設備解釋。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)的短包結束，結構如圖所示，各域含義如下： 圖11 命令狀態(tài)包結構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，則設備將設置此域的值為

33、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，結構如圖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

34、果設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)送到設備的字節(jié)數(shù)，這個域典型的應用于發(fā)送到設備的參數(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 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

35、用于個人電腦尤其是移動存儲設備中，fat 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，而移動存儲設備則是以塊為單位的，fat 將塊映射成扇區(qū)，原理相同，fat 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 recor

36、d）通常占用分區(qū)的第0 扇區(qū)，共512 字節(jié)，fat 表緊隨其后。dbr 的第一部分是一個x86 跳轉指令、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 模塊和中斷處理模塊組成。各模塊之間相互協(xié)調調用，共同完成對u 盤文件的讀寫創(chuàng)建。 usb 模塊負責檢測usb 設備的移入/移出，

37、對插入的設備進行枚舉，分配設備地址端點號，配置設備接口端點描述符，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

38、示。 圖12 ufi結構 圖13 命令與數(shù)據(jù)字結構七，總結 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、設計電路，編寫程序直到完成設計。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 盤的設計步驟，鍛煉了工程設計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設計能力。此次科研立項是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎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資料相關標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的電

39、路設計和程序設計的能力，懂得了許多經驗公式的獲得是前人不懈努力的結果。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，努力使自己成為一個對社會有所貢獻的人。參考文獻：【1】基于單片機的智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 沈紅衛(wèi)著，電子工業(yè)出版社【2】單片機技術應用朱運利著，機

40、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中文技術手冊【6】串口版u盤讀寫模塊中文技術手冊附錄：以下程序可以演示單片機以字節(jié)的方式讀寫u盤，該程序實現(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ne

41、wfile.txt中。即可實現(xiàn)單片機以字節(jié)對u盤讀和寫的功能。#include #include #include #include #define max_path_len32#include unsigned chartemplength;unsigned char idatatempbuffer20;cmd_paramidatamcmdparam;sbitled_out=p04;sbit p2_0=p20;voidmdelayms( unsigned char delay )unsigned chari, j, c;for ( i = delay; i != 0; i - ) for (

42、 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 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

43、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 = 0; if ( len ) for ( i = 0; i != len; i + ) msendbyte( mcmdparam.other.mbuffer i ); while ( 1 ) status = mrecvbyte(); if ( status = err_

44、success ) i = mrecvbyte( ); led_out = 0; if ( i ) j = 0; do mcmdparam.other.mbuffer j = mrecvbyte( ); 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 ) m

45、delayms( 100 ); break; return( status );voidmstopiferror( unsigned char ierror )/*錯誤檢測函數(shù)*/ unsigned charled; if ( ierror = err_success ) return; led=0; while ( 1 ) led_out = led&1; /* led閃爍 */mdelayms( 100 );led=1;main( ) unsigned chari; unsigned shortcount;unsigned char*pstr; mdelayms( 500 );p2_0=0

46、;led_out = 0; mdelayms( 100 ); mdelayms( 100 );led_out = 1; scon = 0x50;pcon = 0x80;tmod = 0x20;th1 = 0xe8;/* 22.1184mhz晶振, 4800bps */tr1 = 1;while ( 1 ) /* 程序中使用查詢方式查詢模塊狀態(tài)，和向模塊發(fā)送同步碼啟動操作，然后發(fā)送相關的命令 */ while ( 1 ) i = execcommand( cmd_querystatus, 0 ); mstopiferror( i ); if ( mcmdparam.status.mdiskstatus = disk_connect ) break; mdelayms( 100 ); mdelayms( 500 ); led_out = 0;for ( i = 0; i 5; i + ) mdelayms( 100 );if ( execcommand( cmd_diskready, 0 ) = err_success ) break;/*