USB-HOST實時數據采集嵌入式模塊的實現

摘要：提出利用SL811HS和8位單片機實現USB-Host實時數據采集嵌入式模塊。該系統的數據傳輸，遵守大規模存儲協議和USB 1.1協議規范，可作為嵌入式設備的數據輸入輸出模塊。它以文件的形式，與Slave端的USB移動存儲器進行數據傳輸。

關鍵詞：SL811HS USB-HOST 大規模存儲協議 USB1.1

引言

隨著數據采集系統、工控行業和嵌入式用戶對移動存儲的需求越來越大，傳統的通過軟盤、串行口（RS232/RS485）或以太網等傳輸數據的方式已不能滿足當前數據存儲和交換的需求。如何在嵌入式模塊中實現USB移動存儲已成為急需解決的問題。

本文提出利用SL811HS和8位單片機實現USB-HOST嵌入式模塊的一種方案。它帶有標準USB數據總線接口，完全遵守USB 1.1協議和大規模存儲協議規范。移動存儲設備的文件操作方式支持FAT16文件系統。

1 USB-HOST嵌入式模塊原理

USB技術規范將使用USB進行數據傳輸的雙方劃分為兩種角色――Host和Slave，并且規定，數據傳輸只能發生在Host和Slave之間。目前，絕大多數Host功能角色被集成在各種類型的PC機上，如筆記本電腦、臺式機、Mac機及服務器等；而各種各樣的基本USB的移動設備都集成了USB Slave功能角色，例如U盤、帶USB接口的數碼相機等。這樣，就導致這些作為USB Slave的USB接口的數字設備中的數據，離開PC機無法讀寫。解決這一問題的根本辦法就是在需要使用USB設備的系統中集成USB Host功能模塊，使之具有與USB Slave設備進行數據傳輸的能力。

利用SL811HS和8位單片機實現的系統完成了USB Host功能，并且提供了USB總線的接口方式。它可以作為一個數據接口模塊集成到用戶的嵌入式系統中，使用戶系統能夠讀/寫作為Slave的USB移動存儲器，從而完成數據存儲和交換功能。由于它支持FAT16文件系統，所以可以將用戶系統發來的數據以文件的方式存儲到USB移動存儲器中，因此，用戶可以在需要時，將USB移動存儲器取出，并拿到自己數據處理中心的PC機，直接將采集到的數據進行分析，極大地方便了用戶數據的采集和處理。其原理如圖1所示。

2 SL811HS芯片介紹

Cypress公司提供的USB嵌入式主控制器芯片SL811HS具有標準的微處理器總線接口，可以提供全速（12Mb/s）和低速（1.5Mb/s）USB數據轉換。圖2為SL811HS主從控制功能模塊。

它具有以下功能：

①自動檢測全速或低速設備；

②8位雙向數據輸出端口；

③集成芯片的串行接口驅動和USB接收；

④256字節內部SRAM緩存，乒乓處理；

⑤自動生成內部幀同步和CRC5/16校驗；

⑥自動地址增益模式，可以節省存儲器讀寫周期。

3 硬件電路設計

圖3為SL81HS電路設計圖，在實際項目中已經得到了應用。

其中AD0～AD7、CS、RD、WR均與單片機89C51相連，由單片機進行控制。雖然SL811HS可以使用12MHz晶振，然而在實際使用過程中發現，當晶振質量不太好時，電路穩定性較差，故建議在條件許可的情況下，盡量使用48MHz的有源晶振。

4 SL811HS的工作過程

①通過SL811HS向從機發送數據過程。接收數據過程同發送數據過程類似。

②通過SL811HS向從機發送數據的Ping-Pong方式的實現。若有大量的數據（如以512字節為最小單位的扇區寫操作）需要傳送，就要考慮到Ping-Pong傳送。其具體過程為：

*向BUFFER中同時寫入2個幀；

*發出第1個幀；

*等待確認信息；

*收到確認信息后發出第2個幀，在第1個幀的位置上填充第3個幀，同時開始等待確認信息。

Ping-Pong方式利用等待的時隙，填充BUFFER，可以極大提高系統的性能，在不改變其它條件的情況下，提高速度。

5 大規模存儲過程

大規模存儲是CPU和移動存儲設備打交道的接口程序，通過調用大規模存儲程序，可以得知移動存儲設備文件分區表中的DBR、FAT表、文件目錄表等的起始位置，并且可以獲得移動存儲設備某些地址區間的一系列數值。Windows系統可以自動支持大規模存儲協議，使主機可以自如訪問移動存儲設備；然而在單獨開發此嵌入式模塊時，大規模存儲協議須自己編寫。

下面為通過大規模存儲協議訪問移動存儲設備的部分程序。

if(!SPC_RequestSense()) return FLASE;

//轉換數據狀態到主機

if(!SPC_TestUnit()) returnFALSE; //檢測UFI設備狀態

if(!RBC_ReadCapacity()) return FLASE; //主機讀取的最大容量

if(!RBC_Read(0x0,1,DBUF)) return FLASE;//主機讀0x0開始的一個數據塊到DBUF

//以上為大規模存儲的各個命令塊，運行成功，則繼續。

if(DBUF[0]==0xeb||DBUF[0]==0xe9)

DeviceInfo.StartSector=0;

Else

DeviceInfo.SartSector=SwapINT32(pMBR->StartSector);

pBPB=(PBPB_BLOCK)DBUF; //引導扇區DBR的BRB塊定義

if(!RBC_Read(DeviceInfo.StartSector,1,DBUF)) return FLASE;

DeviceInfo.BPB_BytesPerSec=SwapINT16(pBPB->BPB_BytesPerSec);

DeviceInfo.PBP_SecPerClus=pBPB->BPB_SecPerClus;

DeviceInfo.BPB_NumFATs=pBPB->BPB_NumFATs;

DeviceInfo.BPB_RootEntCnt=SwapINT16(pBPB->BPB_RootEntCnt);

DeviceInfo.BPB_TotSec16=SwapINT16(pBPB->BPB_TotSec16);

DeviceInfo.BPB_FATSz16=SwapINT16(pBPB->BPB_FATSz16);

DeviceInfo.BPB_TotSec32=SwapINT32(pBPB->BPB_TotSec32);

SeviceInfo.FatStartSector=DeviceInfo.StartSector+1;

SeviceInfo.RootStartSector=DeviceInfo.StartSector+2*DeviceInfo.BPB_FATSz16+1;

DeviceInfo.FirstDataSector=DeviceInfo.FatStartSector+2*DeviceInfo.BPB_FATSz16+32;

/*以上為各個部分存儲位置即每扇區字節數、每簇扇區數、FAT表起始扇區、根目標起始扇區、數據區起始扇區等。*/

6 系統的整個工作流程

通過單片機定時器0檢測設備狀態，如果發現從設備接入，則觸發外部中斷0。當從設備發現后，通過SL811HS進行設備枚舉，設置設備地址、數據描述和配置，然后通過大規模存儲協議訪問從設備文件系統。發讀或寫命令，對從設備進行讀寫，最后反饋響應碼。

7 總結

本文描述了SL811HS芯片和大規模存儲協議的應用，介紹了基于8位單片機實現USB-HOST的整個過程。此系統已經過試驗，能夠完成對從設備的直接讀寫數據，查看從設備目標及從設備剩余存儲空間等一系列操作，穩定性較強；可廣泛地應用于數據采集系統、工控行業等領域，具有一定的實用價值。