1 引言

隨著移動存儲業(yè)的發(fā)展及數(shù)碼產(chǎn)品的普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控行業(yè)和嵌入式用戶對移動存儲的需求越來越大，也對數(shù)據(jù)移動存儲盤提出了更高的應(yīng)用要求，包括到地礦數(shù)據(jù)采集行業(yè)用戶、水文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集行業(yè)用戶、儀器儀表制造行業(yè)用戶、鐵路、長途汽運(yùn)等交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用戶、油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶、單板系統(tǒng)的軟件升級用戶、紡織系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集用戶、銀行等。但由于之前多數(shù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、工控機(jī)及嵌入式系統(tǒng)不具備USB數(shù)據(jù)輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)接口，所以在USB數(shù)據(jù)存儲方面一直得不到很好的普及。業(yè)界和用戶的需求使得嵌入式USB主機(jī)的研究成為USB研究領(lǐng)域的一個新的方向。

本文介紹了一種基于TTL串口的USB主機(jī)系統(tǒng)，通過TTL串口(或并口)轉(zhuǎn)接出USB接口，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。嵌入式設(shè)備需要通過TTL串口，按照USB主機(jī)系統(tǒng)的串口通信協(xié)議與USB主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，主機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)優(yōu)盤的檢測和數(shù)據(jù)的存儲。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計思路，并給出了硬件設(shè)計和USB 主機(jī)的底層驅(qū)動軟件的設(shè)計方法。

2 USB主機(jī)工作原理

對于我們設(shè)計嵌入式USB主機(jī)，可以參照PC上的USB主機(jī)。對于PC上的USB主機(jī)，其硬件方面由一個USB主機(jī)接口芯片控制，這個接口芯片在通過PCI總線與PC機(jī)通訊，其余還有電源管理部分;軟件方面主要有三部分：USB接口驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)CPU與USB主機(jī)接口芯片的通訊，負(fù)責(zé)底層USB包的接收和發(fā)送;USB協(xié)議棧驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)解析設(shè)備驅(qū)動程序?qū)SB的各種操作命令，并在解碼后發(fā)給底層驅(qū)動程序;設(shè)備驅(qū)動程序，也就是上層的應(yīng)用程序，包括操作系統(tǒng)提供給用戶的API,以及用戶自定義的對USB設(shè)備的操作，比如發(fā)送設(shè)備特有的USB命令請求。PC上的USB主機(jī)端軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的核心芯片選用Motorola公司的DSP56f803和TDI公司的USB HOST控制器UHC124。整個系統(tǒng)由DSP56f803模塊、UHC124模塊、UART串口模塊。

3.1 DSP56f803模塊

系統(tǒng)的核心控制器，包括基本硬件和編寫的固件。實(shí)現(xiàn)的功能包括：實(shí)現(xiàn)與UHC124的物理連接和通訊，并且配置UHC124的控制寄存器;配置USB外設(shè)，實(shí)現(xiàn)USB通信，實(shí)現(xiàn)USB Host要求的各項(xiàng)配置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，接受USB Host的命令來管理USB外設(shè);實(shí)現(xiàn)FAT16文件系統(tǒng)。

3.2 UHC124模塊

USB HOST控制器的硬件部分。實(shí)現(xiàn)USB Host的接口，配置下行USB設(shè)備，管理USB總線電源。實(shí)現(xiàn)的功能包括：實(shí)現(xiàn)各種USB Host動作，協(xié)調(diào)內(nèi)容各項(xiàng)功能，與外圍主控制器通訊;存放傳輸?shù)腢SB數(shù)據(jù)，設(shè)置USB傳輸特性;與作為主控制器的DSP56f803接口連接;管理USB電源，連接下行USB設(shè)備，總共帶有4個下行USB設(shè)備端口。

3.3 UART串口模塊

與用戶通過串口進(jìn)行協(xié)議通訊的固件部分。實(shí)現(xiàn)自定義的串口通訊協(xié)議，即根據(jù)自定義的串口通訊協(xié)議，解析串口通訊數(shù)據(jù)包，調(diào)用相應(yīng)的文件操作接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)客戶的文件操作命令。

4.硬件設(shè)計

4.1硬件架構(gòu)

硬件主要模塊包括USB HOST、主控芯片、外部SRAM、譯碼指示和電源部分。主控芯片和USB HOST芯片連接，控制USB HOST芯片與移動存儲盤通訊?？紤]到需要給用戶預(yù)留數(shù)據(jù)Buffer,所以外擴(kuò)SRAM。因?yàn)樾酒ぷ麟娫床煌?，所以要提供兩組直流電源,譯碼指示電路采用3個LED指示燈，一個電源指示，一個指示移動存儲盤的接入，另一個指示了工控機(jī)與移動存儲盤通訊工作中。

4.2 USB主控芯片的選型

對于主控芯片的選型應(yīng)該會有多種選擇，只要帶有UART接口,程序存儲空間足夠，程序的執(zhí)行效率可以滿足系統(tǒng)的功能需求即可。對于USB主控芯片，目前市面上出現(xiàn)的主要有3種：Sypress公司的SL811、

Philips公司的ISP1161和TDI公司的UHC124。其中，SL811較為常見，筆者也曾用過此芯片進(jìn)行過第一代產(chǎn)品的開發(fā)，綜合各方面的選型因素考慮，第二代產(chǎn)品選用了UHC124。

UHC124與其他兩款芯片的主優(yōu)勢在于：支持包傳送，最多可一次性傳送16個USB 協(xié)議交互數(shù)據(jù)，而不會向CPU產(chǎn)生中斷，而SL811是每次都會產(chǎn)生中斷，大大占用了CPU的資源;支持所有的USB傳輸類型，包括控制傳輸、塊傳輸、中斷傳輸和同步傳輸，且數(shù)據(jù)包最大可達(dá)到1023字節(jié);具有2K的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

4.3主控芯片與USB HOST相連的接口電路

UHC124支持兩種存儲器訪問模式，取決于MODE引腳的電平高低。如果主控芯片沒有外部總線，需

采用模式0;如果主控芯片有獨(dú)立或復(fù)用的數(shù)據(jù)地址總線，采用模式1。本方案所選的主控芯片DSP56f803[!--empirenews.page--]

具有獨(dú)立的地址數(shù)據(jù)總線，因此采用UHC124的工作模式1。接口電路如下圖4所示：

5.軟件設(shè)計

USB 主機(jī)軟件的設(shè)計我們可以參照PC的USB 主機(jī)來設(shè)計。本方案的簡要軟件流程圖如圖5所示。

5.1 USB接口驅(qū)動程序

主要實(shí)現(xiàn)主控芯片DSP56f803與USB主機(jī)接口芯片UHC124的通訊，以及底層USB包的接收和發(fā)送，

是實(shí)現(xiàn)整個USB體系的基礎(chǔ)。包括如下幾個函數(shù)：

void ReadLengthFromHost(UCHAR ucaddr,UCHAR uclength,UCHAR *pucdata);

void WriteLengthToHost(UCHAR *pucdata,UCHAR uclength,UCHAR ucaddr);

UCHAR OutBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr);

UCH

AR InBulkData(ULONG ullength,UCHAR *pucptr);

5.2 USB協(xié)議棧驅(qū)動程序

主要實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)命令請求，主要包括：

ClearFeature(),GetConfiguration(),GetDescriptor(),GetInmterface(),GetStatus(),SetAddress(),SetConfiguration(),SetDescriptor(),SetFeature(),SetInterface()。

具體的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的含義請參考USB 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。USB 主機(jī)要在檢測到有USB設(shè)備插入時，完成對USB設(shè)備的枚舉，之后USB主機(jī)和USB設(shè)備才可以進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)包通訊狀態(tài)。

5.3 USB設(shè)備類驅(qū)動程序

移動存儲盤屬于USB協(xié)議所定義的設(shè)備類中的Mass Storage類，USB 組織定義了海量存儲設(shè)備類(Mass Storage Class)的規(guī)范，這個類規(guī)范包括四個獨(dú)立的子類規(guī)范，即：

1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport

2. USBMass Storage Class Bulk-Only Transport

3. USB MassStorage Class ATA Command Block

4.USB Mass Storage Class UFI Command Specification。

前兩個子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB 上的傳輸方法。Bulk- Only 傳輸規(guī)范僅僅使用Bulk 端點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)，CBI 傳輸規(guī)范則使用Control/Bulk/Interrupt三種類型的端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)傳送。后兩個子規(guī)范則定義了存儲介質(zhì)的操作命令。ATA 命令規(guī)范用于硬盤，UFI 命令規(guī)范是針對USB 移動存儲。因此USB主機(jī)需要遵循Mass Storage 協(xié)議來組織數(shù)據(jù)和發(fā)送命令，即可實(shí)現(xiàn)與移動存儲盤交換數(shù)據(jù)。

6.結(jié)束語

嵌入式USB主機(jī)的開發(fā)，目前在國外也處于剛剛起步的階段，可以提供的USB HOST接口芯片的并不多。作為USB總線研究的另一熱點(diǎn)，嵌入式USB HOST的研究具有一定的先進(jìn)性和前瞻性。以嵌入式USB 主機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以在工業(yè)和民用兩個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場前景。