基于U盤的單片機低功耗海量存儲系統(tǒng)

引言
近幾年，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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，從而實現(xiàn)便攜儀器或者嵌入式系統(tǒng)的外掛式海量存儲，具有廣闊的應(yīng)用前景。而以Cypress公司的SL811HS為代表的嵌入式USB主機接口芯片為這種方案的實現(xiàn)提供了可能。
SL811HS介紹[1]
采用單片機直接控制讀寫U盤，牽涉到關(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。
SL811HS作為嵌入式的USB主機/設(shè)備控制器，功能模塊框圖如圖1.1所示。
SL811HS實現(xiàn)了USB主機結(jié)構(gòu)中的第一個層次，即USB總線接口層的功能。SL811HS的主要特點如下：
•可作為USB主機或者設(shè)備的接口控制器；
•支持USB協(xié)議1.1，提供全速和低速2種USB總線速度方式；
•片上集成了SIE、單端口根Hub、USB收發(fā)器和256字節(jié)的SRAM；
•3.3V工作電壓，接口兼容5V電壓；
•硬件自動產(chǎn)生幀起始包SOF和CRC5/16校驗。

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圖1.1  SL811HS功能框圖
SL811HS與單片機的硬件接線[2][3]
單片機采用的是AT89C55WD，它通過SL811HS芯片對U盤進行讀寫，實現(xiàn)存儲。這部分的電路原理圖如圖1.2所示。
圖中SL811HS與CPU的連接是關(guān)鍵。SL811HS是3.3V供電的系統(tǒng)，而AT89C55WD是5V供電的系統(tǒng)，但二者的端口能夠彼此兼容對方的高低電平。因此SL811HS的數(shù)據(jù)引腳D0～D7直接與單片機的低八位地址/數(shù)據(jù)總線AD0～AD7連接，讀寫選通引腳nRD、nWR則直接與單片機的讀寫線/RD、/WR連接；對AT8955WD而言，SL811HS不過是其在片外擴展的I/O芯片之一，地址線A15與/CS_SL811（AT89C55WD的P3.3引腳）組合后充當SL811HS的片選，地址線A0與SL811HS的A0引腳相連，于是SL811HS的地址指針寄存器的地址為7FFEH（A0、/CS_SL811為低電平），SL811HS的數(shù)據(jù)寄存器的地址為7FFFH（A0為高電平，/CS_SL811為低電平）。之所以需要/CS_SL811配合，是因為AT89C55WD在外部還擴展了一片128KB的SRAM62256（省略未畫），片選線也是A15。SL811HS的M/S引腳經(jīng)下拉電阻后接地，使得其工作于主機控制器模式。此外，SL811HS的中斷請求信號為高電平有效，故反向后連接到AT89C55WD的外部中斷引腳/INT0。本系統(tǒng)沒有采用SL811HS內(nèi)部的鎖相環(huán)，直接使用外部的48MHz有源晶振作為時鐘源，更準確。
存儲模塊是主機系統(tǒng)，其PCB板上安裝有A型插座，用于為下層的設(shè)備提供連接點。因為連接的外設(shè)是功耗量極低的USB盤，下行端口的電源VCC直接連到了檢測系統(tǒng)的電源上。
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基于U盤的海量存儲板中單片機固件程序編寫
過去，基于個人計算機的USB開發(fā)，僅僅是對USB外設(shè)的開發(fā)，USB核心驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序均由Windows等操作系統(tǒng)提供。而實現(xiàn)USB主機的功能，這兩部分驅(qū)動程序都必須設(shè)計。
 嵌入式USB主機的軟件設(shè)計思路[4]
USB主機協(xié)議描述了USB系統(tǒng)軟件（核心驅(qū)動程序和主控制器驅(qū)動程序）的設(shè)計規(guī)范。根據(jù)該設(shè)計規(guī)范，嵌入式USB主機的軟件設(shè)計應(yīng)包括以下三部分：USB主機系統(tǒng)軟件部分，主要實現(xiàn)對USB外設(shè)的配置，讀取USB外設(shè)的信息，從而判斷該設(shè)備屬于USB的哪一類，并確定下一步選用哪個特定的程序加以支持；USB Mass Storage設(shè)備類協(xié)議軟件部分，實現(xiàn)USB Mass Storage類所規(guī)定的各種命令；USB用戶軟件部分，實現(xiàn)用FAT文件系統(tǒng)管理和存儲數(shù)據(jù)。因此，基于U盤的海量存儲模塊中單片機的固件程序有著如圖1.3所示的積木式的結(jié)構(gòu)。

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單片機嵌入式USB主機固件程序
１、SL811HS與AT89C55WD的通信程序設(shè)計
SL811與單片機AT89C55WD的通信程序設(shè)計可以簡單地認為是實現(xiàn)了PC的USB主機的主控制器驅(qū)動程序的部分功能。
①讀數(shù)據(jù)
由于SL811HS的外接總線的地址和數(shù)據(jù)信號是復(fù)用的，通過A0信號來區(qū)分地址和數(shù)據(jù)。因此，AT89C55WD讀取或?qū)懭隨L811HS內(nèi)存的時候首先發(fā)送地址，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，由于SL811HS采用了地址自動增址的機制，因此，如果需要讀取或?qū)懭脒B續(xù)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)時，只需要發(fā)送起始地址即可，以后每讀取或?qū)懭胍淮螖?shù)據(jù)，SL811HS會自動將尋址地址加1。根據(jù)SL811HS的讀數(shù)據(jù)時序的要求，讀取數(shù)據(jù)前首先發(fā)送地址，再讀取數(shù)據(jù)，程序如下：
unsigned char SL811Read(unsigned char a)
{ 
 unsigned char nVal;
 unsigned char xdata *exAddress;
 exAddress = SL811_ADDR_PORT;    /*發(fā)送地址  */
 SL811_CS=0;
 *exAddress=a;
 exAddress=SL811_DATA_PORT;     /*讀取數(shù)據(jù)  */
 nVal = *exAddress;
 SL811_CS=1;
 return nVal;
}
②寫數(shù)據(jù)
與讀數(shù)據(jù)類似，AT89C55WD向SL811HS的內(nèi)存單元寫數(shù)據(jù)時，也必須首先發(fā)送地址，然后發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)。根據(jù)SL811HS的寫數(shù)據(jù)時序，函數(shù)實現(xiàn)程序如下：
void SL811Write(unsigned char a, unsigned char d)
{ 
 unsigned char xdata *exAddress;
 exAddress = SL811_ADDR_PORT;       /*發(fā)送地址  */
 SL811_CS=0;
 *exAddress=a;
 exAddress=SL811_DATA_PORT;         /*寫入數(shù)據(jù)  */
 *exAddress = d;
 SL811_CS=1;
}
單片機AT89C55WD與SL811HS通信的實現(xiàn)，是整個USB體系軟件的根基。在此基礎(chǔ)上即可實現(xiàn)USB主機協(xié)議的系統(tǒng)軟件、Mass Storage類協(xié)議軟件、FAT文件系統(tǒng)軟件。
２、AT89C55WD的初始化
單片機AT89C55WD的初始化程序安排在主程序main.c中，主要是完成定時器T0、外部中斷INT0、I/O口、串行通訊口以及SL811HS 的初始化，包括工作方式設(shè)定、初值設(shè)置、相關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖器清零等，程序較為簡單，此處省略。
３、人機接口程序
人機接口程序?qū)碜灾鰿PU模塊的串口命令進行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果返回。因為主CPU模塊需將采集的數(shù)據(jù)值通過存儲模塊存入U盤，所以主CPU模塊的串口命令包括查詢U盤、創(chuàng)建文件、打開文件、寫文件、讀文件等，如同人們在PC機對U盤的操作。
該段程序首先通過串口處理入口函數(shù)，判別主CPU發(fā)出何種命令，再跳轉(zhuǎn)至功能操作子函數(shù)。U盤的功能操作子函數(shù)依據(jù)USB Mass Storage類的UFI命令，按照微軟的FAT文件規(guī)范進行相應(yīng)文件操作。
由于篇幅關(guān)系其它部分的實現(xiàn)本文不作具體介紹。
結(jié)語
總之，運用單片機直接控制讀寫U盤，部分地實現(xiàn)PC上USB主機的USB核心驅(qū)動程序的功能，是嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件的集合，是一個全新的概念?；?strong>U盤的單片機低功耗海量存儲系統(tǒng)將使測控系統(tǒng)體積減小，更有利于野外作業(yè)或其它便攜性要求較高的場合，為儀器便攜化發(fā)展開拓了新的思路。