引言

    隨著USB技術和閃存技術的飛速發展，移動存儲設備的速度和容量日新月異，但在工業控制的上位機和下位機之間，數據傳輸依然采用傳統的串并口技術，特別對一些前端的便攜式采集系統，需要采集后臨時存儲，再拿回來傳給作為上位機的PC機進行數據處理，給人們帶來很多不變，為此，本文提出了一種方法--利用U盤的便捷特性開發一種基于嵌入式的USB讀寫器，方便地將采集數據以文件方式寫入U盤，PC機不需要任何特殊驅動便可以完成對數據的處理回放。利用本方法可以徹底解決下位機與PC機之間的數據傳輸難的問題。

1 硬件設計

    系統采用TI公司的MSP430F149作為MCU，Cypress公司的SL811HS作為USB設備控制器，充分發揮各自優勢滿足低功耗要求。

1.1 MSP430

    TI公司的 MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，針對不同的應用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器可用電池工作，且使用的時間很長，MSP430單片機具有16位RISC結構，CPU中的16個寄存器和常數發生器使其能達到最高的代碼效率，靈活的時鐘源可以使器件的功率消耗最低，數字控制的振蕩器（DCO）可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在短于6μs的時間內激活到活躍的工作方式，非常的內/外設和I/O端口資源，端口P1和P2支持中斷喚醒。

1.2 SL811HS

    Cypress公司的SL811HS是一款超低功耗的USB主/從設備控制器，主設備或從設備模式由軟件控制，USB主/從設備控制器支持全高速和低速數據傳輸，內部256字節的SRAM緩存，訪問時地址自動加1，可大大縮短讀寫指令周期，具有標準的8位雙向微處理器總線接口，其中從設備模式下支持DMA。

1.3 硬件系統框圖

    USB讀寫器結構框圖如圖1所示，主要由MSP430F149和SL811HS構成，MSP430支持串口輸入和14位的并口輸入，P2.7用作中斷喚醒位，P2.6用作標準位區分數據和命令，通過P4口向SL811發送控制信號，P6用作普通的雙向總線接口與SL811進行數據交換，P1.1支持中斷喚醒接收SL811的中斷請求。

2 軟件設計

    為了使上位PC機能夠直接讀取該讀寫器寫入U盤的數據，數據存儲按照FAT32文件管理方式存儲，其中涉及USB和UFI協議以及FAT32文件存儲格式。

2.1 USB協議

    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），實現二者之間數據傳輸的外部總線結構，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。

    控制數據用于在USB接入總線時對其進行配置，其他的驅動軟件可以根據具體的應用來選擇使用控制傳輸，這種數據傳輸不會丟失數據。

    典型的批量數據包括象使用打印機或掃描儀時所出現的大數據量的數據，這種批量數據是連續的，通過在硬件中實現差錯檢測功能，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據的可靠交換。

    由設備自發產生的數據傳輸是中斷數據傳輸，這類數據傳輸可以由USB設備在任意時刻發起，而且USB總線以不低于設備說明的速率進行傳輸。

    同步數據在產生、傳送和處理過程中是連續的和實時的，在穩定的同步數據發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，同步數據必須按照接收的速率進行傳輸。

2.2 BULK_ONLY和UFI協議

    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、移動硬盤均屬于海量存儲類。海量存儲類的規范中包括4個獨立的子規范，即CBI傳輸、Bulk-Only傳輸、ATA命令塊、UFI命令規范。前兩個協議定義了數據/命令/狀態在USB總線上的傳輸方法，Bulk-Only傳輸協議僅僅使用Bulk端點傳送數據/命令/狀態，CBI傳輸協議則使用Control/bulk/interrupt三種類型的端點進行數據/命令/狀態的傳送。后兩個協議定義了存儲介質的操作命令，ATA協議用于硬盤，UFI協議則針對USB移動存儲，U盤讀寫器的設計遵循Bulk-Only傳輸協議和UFI命令規范。UFI命令塊規范是針對USB移動存儲而制定的，它總共定義了19個12字節長度的操作命令。

    Bulk-Only事務以主機向設備發送CBW（Command Block Warp）包，并以建立相應的數據傳輸開始的，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）包向主機返回狀態信息。

    CBW是主機通過Bulk-Out端點向設備發送的命令塊包，在CBW中使用方向位和數據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字節的短包傳輸結束，相繼的數據包和CSW包必須開始于一個新的包邊界，所有的CBW包必須按低字節在前的次序傳輸。

    CBW包結構如圖2所示，各域含義如下：

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，必須使命令狀態標記域的值與此值相同。

3）數據傳輸長度。指明命令執行期間在Bulk端點上傳數據的字節長度，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據，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。方向位規定了Bulk端點數據傳輸的方向，其他位預留。

5）邏輯單元號。指定命令塊被發送到的邏輯單元號，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的有效長度，合法值為1-16。

7）CBWCB。由設備執行的命令，由設備解釋。

    CSW向主機表明來自于CBW包的命令塊的執行狀態。設備收到CBW包解析處理后將通過Bulk-In端點發送一個CSW包。

    CSW開始于包邊界，并以13字節的短包結束，結構如圖3所示，各域含義如下： 

1）命令狀態包標識。CSW包的標記，表明這是一個CSW包，這個域的值為53425355H。

2）命令狀態標記。次域的值域CBW包的命令塊標記相同。

3）數據殘余。實際數據傳輸量與CBW包中規定的數據傳輸長度的差值。

4）命令執行狀態，表明命令成功或失敗信息，如果命令執行成功，則設備將設置此域的值為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議，它規定了主機和設備進行信息交換所使用的命令塊、數據和狀態信息，Bulk-Only傳輸協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），設備將命令的執行狀態封裝成CSW返回給主機。

    UFI用于大多數命令的12字節命令塊的描述，結構如圖4所示，其中各參數意義如下：

1）操作命令代碼。指明所需要執行的操作命令；

2）邏輯單元號。指明命令將發送到哪個邏輯單元，如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，指明請求傳輸的數據量，通常以"扇區"作單位，但是有幾個命令是以"字節"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，則表面沒有數據需要傳輸。

5）參數列表長度，用于指定發送到設備的字節數，這個域典型的應用于發送到設備的參數命令塊（如模式參數、診斷參數等），若此域的值為0，則表面沒有數據需要傳輸。

6）分配長度，指明主機已經分配的用于返回數據的最大字節長度，若此值為0，則表明沒有數據需要傳輸。

2.3 FAT32

    FAT是Microsoft較早推出的文件系統，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備中，FAT由引導扇區、FAT1表、FAT2表、目錄和文件區組成（其中FAT2表是FAT1表的備份）。磁盤的管理是以扇區為單位的，而移動存儲設備則是以塊為單位的，FAT將塊映射成扇區，原理相同，FAT將磁盤空間以一定數目的扇區為單位進行劃分，這樣的單位成為"簇"。通常情況下，每扇區512字節的原則是不變的，簇的大小一般是2n（n為整數）個扇區的大小。所以以簇為單位而不以扇區為單位進行磁盤的分配，是因為當區分容量較大時，采用512字節的扇區管理，會增加FAT表的項數和大文件存取的消耗，使文件系統效率不高。

    引導扇區DBR（DOS Boot Record）通常占用分區的第0扇區，共512字節，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版本號，接下來的從偏移0x0B開始的是一段描述能夠使可執行引導代碼找到相關參數的消息，通常稱之為BPB。最后是引導程序代碼以及扇區結束標志。BPB中記錄了扇區大小、簇的扇區數、保留扇區數、FAT表大小和文件系統類型等重要參數，用于文件的索引和定位計算。

2.4 軟件系統模塊

    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。各模塊之間相互協調調用，共同完成對U盤文件的讀寫創建。

    USB模塊負責檢測USB設備的移入/移出，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/輸出通道發送CBW數據包，并接收CSW數據包，通過CBW中嵌入的CBWCB信息確定對U盤讀/寫操作的扇區位置和大小，FAT模塊主要完成簇和扇區間的索引定位，即在U盤內尋址，利用BPB中的參數計算給定扇區的所在簇以及進入休眠狀態，等待外部中斷喚醒。

    中斷處理模塊是在中斷喚醒后根據中斷類型進入不同功能子模塊的，也是整個軟件系統的核心部分。中斷模塊接收到串口或并口數據后，根據內部命令字要求進行解析，命令字要求如圖5所示，串口或并口數據接收流程如圖6所示。 

3 應用測試結果

    在人造金剛石壓力機壓力錘頭裂紋檢測中，采用聲發射技術進行實時監控，一旦出現異常立即停機報警，為了對出現異常時的數據進一步分析，需要將現場數據帶回研究室。利用基于嵌入式的U盤讀寫器可以免去現場布線的麻煩，還可以省去PC機端驅動軟件的開發，直接將現場數據寫入U盤，方便地利用PC機中安裝的MATLAB進行數據的詳細分析處理。

結語

    基于嵌入式U盤讀寫器的設計實現可以方便地將下位機數據存儲到普通U盤，徹底解決了工業控制中上下位機之間數據傳輸難的問題，也為以后其他領域的應用創造了前提條件，如長途客車中的黑匣子、家庭老人健康監測，隨著USB技術和閃存技術的進一步發展，該設備應用領域將會逐步擴展，市場前景良好。