蔡雪佳，周征翰，伍郁韓

（暨南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510632）

在傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多個(gè)遠(yuǎn)端采集設(shè)備一般通過(guò)串口方式連接到主機(jī)。而傳統(tǒng)的串口不但速度比較慢，而且還需要長(zhǎng)距離布線施工。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方案存在著以下不足：

1）存儲(chǔ)介質(zhì)置于存儲(chǔ)端儀器內(nèi)部，回讀數(shù)據(jù)必須將整個(gè)單元回收。而戶外回讀分析數(shù)據(jù)往往受條件限制而難以實(shí)施。

2）隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集所面臨的環(huán)境日趨復(fù)雜，采集時(shí)間和數(shù)據(jù)容量逐步加大。由于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所限，擴(kuò)大容量就意味著要在其系統(tǒng)中集成容量足夠的RAM存儲(chǔ)器。但是單片RAM的容量有限，即使使用多個(gè)RAM也無(wú)法達(dá)到存儲(chǔ)要求，而且其高昂的價(jià)格也限制了它在系統(tǒng)中的大量使用。

USB憑借它易擴(kuò)展、速度快、高可靠性[1]的優(yōu)勢(shì)，已大范圍推廣并使用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)采用C8051F020單片機(jī)和南京沁恒公司的CH376所設(shè)計(jì)的大容量數(shù)據(jù)采集方案有效克服了以上的不足，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

該系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)對(duì)U盤進(jìn)行操作，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB-Host模塊直接按文件方式存儲(chǔ)到U盤，可以有效地提高數(shù)據(jù)保存速度及可靠性。在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、大容量數(shù)據(jù)采集，方便了與PC等上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，降低了數(shù)據(jù)采集的成本，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)、室內(nèi)分析數(shù)據(jù)的可移動(dòng)“無(wú)線”功能。

1 USB-Host及海量存儲(chǔ)設(shè)備協(xié)議

一個(gè)完整的USB系統(tǒng)包括USB主機(jī)、USB設(shè)備以及主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信3個(gè)要素[2]。USB主機(jī)在整個(gè)USB系統(tǒng)中是唯一的。USB主機(jī)包括主機(jī)控制器、USB子系統(tǒng)及USB客戶幾個(gè)部分[3]。主機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)了主機(jī)端的USB總線接口，同時(shí)還具有一個(gè)根集線器以提供與USB設(shè)備的物理連接。在USB2.0協(xié)議中，PC機(jī)被稱為主機(jī)，多數(shù)USB接口數(shù)據(jù)采集設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)及其他的USB外設(shè)只是作為外設(shè)由PC機(jī)控制[4]。所以，數(shù)據(jù)采集設(shè)備與USB移動(dòng)存儲(chǔ)器之間數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)需要在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中集成主終端的功能。

U盤屬于USB家族內(nèi)的海量存儲(chǔ)（USB Mass Storage）設(shè)備，是一種基于塊/扇區(qū)的隨機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備，它與主機(jī)之間采用“控制/批量/中斷”（CBI）方式或“批量”（Bulk-Only）方式與主機(jī)通信。USB海量存儲(chǔ)協(xié)議包括CBI，Bulk-Only，ATA和UFI等4個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范[5]。前2個(gè)規(guī)范定義了數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，后2個(gè)子規(guī)范定義了存儲(chǔ)介質(zhì)的操作命令。其中，ATA命令規(guī)范適用于硬盤，UFI命令規(guī)范則適用于USB移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)。

U盤在進(jìn)行數(shù)據(jù)保存之前，必須先按照某個(gè)文件系統(tǒng)的規(guī)定進(jìn)行格式化。U盤的存儲(chǔ)容量相對(duì)計(jì)算機(jī)硬盤來(lái)說(shuō)要小得多，因此在U盤中FAT16文件可取得比較高的綜合效率且兼容性較好，其廣泛地應(yīng)用于U盤之類的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。

2 大容量數(shù)據(jù)采集方案的硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020作為中央處理芯片，選用南京沁恒電子公司的CH376作為USB主機(jī)控制芯片。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.1 Schematics of system hardware

C8051F020是一款完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，外接21 MHz晶振。C8051F020包含了64 k字節(jié)的可編程FLASH，4352字節(jié)的RAM，64個(gè)數(shù)字I/O口，一個(gè)8路12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其CIP-51指令集與MCS-51指令集完全兼容，且支持多種接口方式[6]。豐富的外圍接口方便了其系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，高效的指令集也可使系統(tǒng)獲得較高的采樣率。

CH376是一款U SB接口芯片，支持USB主機(jī)方式和USB從機(jī)方式，同時(shí)支持5 V和3.3 V電源電壓，具有并行、串行、SPI 3種接口[7]。因此只需外加晶振和電容就可使CH376作為USB-Host接口使用。

設(shè)備啟動(dòng)后，A/D轉(zhuǎn)換模塊MAX153開始工作，將傳感器信號(hào)量化為數(shù)字信號(hào)，在系統(tǒng)單片機(jī)的控制下循環(huán)存入單片機(jī)RAM內(nèi)部，而后通過(guò)USB-Host模塊以寫扇區(qū)的方式將數(shù)據(jù)以文件的格式存入U(xiǎn)SB移動(dòng)存儲(chǔ)器，直至寫滿在USB移動(dòng)存儲(chǔ)器中新建的文件并關(guān)閉。同時(shí)有系統(tǒng)所設(shè)置的狀態(tài)燈指示工作已完成。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，單片機(jī)與CH376接口部分的硬件框圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與CH376接口硬件框圖Fig.2 Block diagram of the interface between MCU and CH376

3 大容量數(shù)據(jù)采集方案的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 USB軟件分層通信模型

USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備軟件分層通信模型示意圖[8]如圖3所示。

圖3 USB設(shè)備軟件分層通信模型Fig.3 Layered communication model of USB device

當(dāng)模塊作為USB-Host主控制器模式運(yùn)行時(shí)，控制程序切換到圖3的左半部分。CH376不僅是一個(gè)可用作USBHost的硬件接口芯片，還內(nèi)置了相關(guān)的固件程序，簡(jiǎn)化了外部編程。內(nèi)置固件包含上圖左邊的UFI命令層，USB基本傳輸命令層及Bulk-Only協(xié)議層[8]。

3.2 U盤文件管理系統(tǒng)

U盤采用的文件系統(tǒng)一般為FAT文件系統(tǒng)，它將存儲(chǔ)空間分為5個(gè)部分[9]：主引導(dǎo)扇區(qū)（MBR）、DOS引導(dǎo)區(qū)（DBR）、文件分配表（FAT）、文件目錄表（FDT）和數(shù)據(jù)區(qū)（DATA）。CH376提供了U盤文件級(jí)子程序庫(kù)，單片機(jī)可以直接調(diào)用子程序讀寫U盤中的文件數(shù)據(jù)。

3.3 讀取U盤數(shù)據(jù)

CH376內(nèi)置了處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，所以嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)可以通過(guò)CH376將U盤作為可移動(dòng)的大容量存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)讀寫只需要幾條指令，而不需要詳細(xì)了解USB通信協(xié)議。

U盤文件的寫入方式采取以扇區(qū)為基本單位進(jìn)行寫操作，從而將USB存儲(chǔ)設(shè)備簡(jiǎn)化為一種外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，單片機(jī)可以將數(shù)據(jù)自由寫入U(xiǎn)SB存儲(chǔ)設(shè)備，也可以自由定義其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。CH376以C語(yǔ)言子程序庫(kù)提供了USB存儲(chǔ)設(shè)備的文件級(jí)接口，這些應(yīng)用層接口API[10]包含了常用的文件級(jí)操作，可以移植并嵌入到單片機(jī)程序中。

這里采用KeilC軟件來(lái)編寫程序，調(diào)用CH376提供的子程序庫(kù)。程序運(yùn)行并初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)。檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之后，通過(guò)CH376FileCreate新建文件，將A/D所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)CH376SecWrite寫入U(xiǎn)盤，文件寫滿之后調(diào)用CH376FileClose關(guān)閉文件。采集結(jié)束之后直接取下外接的U盤即可拿回室內(nèi)進(jìn)行分析。其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示：

寫數(shù)據(jù)子函數(shù)節(jié)選：

dshan表示進(jìn)入函數(shù)時(shí)所讀取到的扇區(qū)序號(hào)，可利用它判斷指針位于文件開頭或文件末端，shanq表示該文件所占用的扇區(qū)數(shù)，yushu是總扇區(qū)數(shù)除以7的余數(shù)，便于最后一次寫扇區(qū)用。此函數(shù)每次寫入7個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，若最后一次寫入數(shù)據(jù)的扇區(qū)數(shù)小于7，則將剩余數(shù)據(jù)一次寫入U(xiǎn)盤，利用文件扇區(qū)指針的移動(dòng)可成功將所有數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)盤文件。

4 結(jié)論

文中論述的基于CH376的USB-Host大容量數(shù)據(jù)采集方案可很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)U盤的識(shí)別和數(shù)據(jù)的采集，克服了以前數(shù)據(jù)采集的不足，提高了系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力，靈活地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的存儲(chǔ)并簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)其基本思想，采用性能更好的控制器如DSP，CPLD等可極大地提高儀器的采樣速率，以適應(yīng)更高的要求。

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