基于USB控制器的大容量数据采集系统设计

２０　基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　Ｏ八一科技　

基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　

高　节　

（火控中心电信室　李海彬　

成都　６１　１７３１）　

摘要：利用ｕＳＢ控制器控制ｕ盘实现数据采集，支持ＦＡＴ３２Ｒ．件系统，方　

便与计算机交互；配合数码管，可以实现采集数据的实时显示和指定存储区域内　数据的查看。　关键词：ＵＳＢ　ＣＨ３７４数据采集　

１　引言　

随着对雷达性能要求的不断提高，保存目标点迹数据及航迹数据等，便于事后回放分　析显得越来越重要。传统雷达一般都利用计算机存储数据，但现代雷达有时因实际应用需　

要。不便携带计算机，此时采用小型移动设备保存数据的需求就变得日益迫切。Ｕ盘作为　移动存储设备，以体积小、速度高、抗震动、通用性强的特点倍受青睐，因此，在雷达数　据采集系统中开发出嵌入式ＵＳＢ主机控制Ｕ盘作为数据存储器，将具有良好的实用价值。　

２　ＵＳＢ大容量存储设备协议及分析　

基于ＵＳＢ的大容量　数据采集系统的设计，　主要是要实现嵌入式　

ＵＳＢ主机。要想设计出　能直接读写Ｕ盘的嵌入　

式ＵＳＢ主机，就必须理　解ＵＳＢ大容量存储设备　协议。目前ＵＳＢ大容量　

存储设备结构如图１所　示。　图１中．虚线左边　

部分是主机的驱动程序　结构．也是嵌入式ＵＳＢ　ＵＦＩ｜　避　

ＵＳＢ传输驱动　ＣＢＩ／１３ｕｌｋ—Ｏｎｌｙ　

ＵＳＢ总线　火容鼋存储设备　（ＵＳＢ外设）　

ＵＦ１／ＡＴＡ命令处理　

ＵＳＢ传输处理Ｉ　ｆ存储介质接ｕ　

ＵＳＢ总线接几　存储介质　

（嫂盘，闪存）　

图１

　ＵＳＢ大容量存储设备结构示意图　Ｏ八一科技　基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　２ｌ　

主机所要实现的。左边最顶层是ＦＡＴ文件系统层ＡＰＩ，用于提供给用户访问存储设备的　

方法。Ｕ盘中的数据都是以文件格式存储的，ＦＡＴ３２因具有高度兼容性而被广泛应用于移　动存储设备中。　

图１虚线左边中间的ＵＦＹＡＴＡ驱动层将应用程序的访问转换成ＵＦＩ或ＡＴＡ命令／数据　格式，与外部存储设备之间按照子规范ＵＦＩ或ＡＴＡ的定义进行命令／状态／数据的交换；最　

底层则是ＵＳＢ传输驱动，负责将上层的ＵＦＩ／ＡＴＡ数据发送到ＵＳＢ总线上以及接收从存储　设备返回的状态，数据。ＣＢＩ／ＢｕｌｋＯｎｌｙ／ＡＴＡ／ＵＦＩ是ＵＳＢ　Ｍａｓｓ　Ｓｔｏｒａｇｅ类规范中４个独立的子　

类规范的简称。前两个子规范定义了数据偷令／状态在ＵＳＢ上的传输方法。ＢｕｌｋＯｎｌｙ传输　

规范仅使用Ｂｕｌｋ端点传送数据／命令／状态。ＣＢＩ传输规范则使用Ｃｏｎｔｒｏｌ／Ｂｕｌｋ／Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ三　种类型的端点进行数据／命令，状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。Ａ—　

ＴＡ命令规范用于硬盘，ＵＦＩ命令规范是针对ＵＳＢ移动存储而制定的。　２．１　ＵＳＢ传输方式　

ＵＳＢ（通用串行总线）用于将ＵＳＢ接口的外围设备（ｄｅｖｉｃｅ）连接到主机（ｈｏｓｔ），实　现二者之间数据传输的外部总线结构，是一种快速、灵活的总线接口，ＵＳＢ的传输类型有　

控制（ｃｏｎｔｒｏ１）、批量（ｂｕｌｋ）、中断（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ）和同步（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ）传输４种，它最大　的特点是易于使用。即插即用。　控制数据用于在ＵＳＢ接入总线时对其进行配置，其他的驱动软件可以根据具体的应　

用来选择使用控制传输，这种数据传输不会丢失数据。　典型的批量数据包括像使用打印机或扫描仪时所出现的大数据量的数据，这种批量数　据是连续的，通过在硬件中实现差错检测功能，并且有选择地进行一定的应进重试操作，　

可以在硬件层次上保证数据的可靠交换。　由设备自发产生的数据传输是中断数据传输。这类数据传输可以由ＵＳＢ设备在任意　

时刻发起，而且ＵＳＢ总线以不低于设备说明的速率进行传输。　同步数据在产生、传送和处理过程中是连续的和实时的。在稳定的同步数据发送和接收　

速率中包含了相应的时钟信息，为了保持定时关系，同步数据必须按照接收的速率进行传输。　２．２　ＦＡＴ３２文件系统结构和存储空间的组织原则　

ＦＡＴ是Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ推出的文件系统，具有高度的兼容性，有引导扇区、ＦＡＴ１表、ＦＡＴ２　表、目录和文件区组成（其中ＦＡＴ２表是ＦＡＴ１表的备份）。磁盘的管理是以扇区为单位　的，而移动存储设备则是以块为单位的，ＦＡＴ将块映射成扇区，原理相同，ＦＡＴ将磁盘空　

间以一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位成为“簇”。通常情况下，每扇区５１２　字节的原则是不变的，簇的大小一般是２ｎ（ｎ为整数）个扇区的大小。所以以簇为单位而　

不以扇区为单位进行磁盘的分配，是因为当区分容量较大时，采用５１２字节的扇区管理。　会增加ＦＡＴ表的项数和大文件存取的消耗，使文件系统效率不高。　

引导扇区ＤＢＲ（ＤＯＳ　Ｂｏｏｔ　Ｒｅｃｏｒｄ）通常占用分区的第０扇区，共５１２字节，ＦＡＴ表　

紧随其后。ＤＢＲ的第一部分是一个ｘ８６跳转指令、厂商标志和操作系统版本号，接下来　的从偏移ＯｘＯＢ开始的是一段描述能够使可执行引导代码找到相关参数的消息．通常称之　为ＢＰＢ。最后是引导程序代码以及扇区结束标志。ＢＰＢ中记录了扇区大小、簇的扇区数、　

保留扇区数、ＦＡＴ表大小和文件系统类型等重要参数，用于文件的索引和定位计算。

　２２　基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　Ｏ八一科技　

３嵌入式ＵＳＢ主控制器设计　

３．１硬件设计　

系统采用ｒｎ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ作为中央处理芯片，选用南京沁恒电　子公司的ＣＨ３７４Ｓ作为ＵＳＢ主机控制芯片。　

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片为ＴＭＳ３２０Ｃ２００系列下的一种定点ＤＳＰ芯片。可被广泛用于控　制、接口转换以及数据采集等领域。　

ＣＨ３７４Ｓ是一个ＵＳＢ总线的通用接口芯片，支持ＵＳＢ—ＨＯＳＴ主机方式和ＵＳＢ—ＤＥ．　

ＶＩＣＥ／ＳＬＡＶＥ设备方式，支持低速和全速的控制传输、批量传输、中断传输以及同步，等时　传输。在本地端，ＣＨ３７４Ｓ具有８位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，因此　

ＣＨ３７４Ｓ作全速ＵＳＢＨＯＳＴ主机接口时。外围元器件只需要晶振和电容，就可以方便地挂　接到单片机／ＤＳＰ／ＭＣＵ／ＭＰＵ等控制器的系统总线上。　

系统设计中ＣＨ３７４Ｓ与ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的连接采用并口方式。部分原理图如图２　所示。　．　

图２．１　ＣＨ３７４的并口连接方式　

‘＝—一　———：，　

Ａｌ　５　ｌ　／ＣＳ　７４ＨＣ０４　ｌＤ＋　叫　ｌ　－　ｒ　∽　Ｕ　Ａ０　卜、）　ＣＨ３７４　０　ｒ　ｒ　／ＲＤ　Ｓ　Ｄ．　－Ｉ　－　厶　０　ｒ　、Ｊ　／ＷＲ　＞　

／ＩＮＴ　

图２．２　ＣＨ３７４Ｓ与ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的连接框图　Ｕ　盘　

渎　写　接　

口　Ｏ八一科技　基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　２３　

在图２．２中．ＣＨ３７４Ｓ芯片的／ＲＤ和　Ｒ分别连接到ＤＳＰ的读选通输出引脚和写选通　输出引脚。，ＣＳ由ＤＳＰ的Ａ１５脚经７４ＨＣ０４取非后驱动。ＩＮＴ输出的中断请求是低电平有　

效，连接到ＤＳＰ的中断输入引脚，ＤＳＰ使用中断方式获知中断请求。　当ＷＲ为高电平并且／ＣＳ和／ＲＤ及Ａ０都为低电平时．ＣＨ３７４Ｓ中的数据通过Ｄ７～ＤＯ　

输出；当／ＲＤ为高电平并且／ＣＳ和　Ｒ及Ａ０都为低电平时，Ｄ７～ＤＯ上的数据被写入　ＣＨ３７４Ｓ芯片中；当／ＲＤ为高电平并且／ＣＳ和／ＷＲ都为低电平而Ａ０为高电平时，Ｄ７～ＤＯ　

上的数据被作为命令码写入ＣＨ３７４Ｓ芯片中。　２．２软件设计　

ＣＨ３７４Ｓ芯片是纯接口芯片。所以外部的ＤＳＰ程序较为复杂：但由于减少了内部处理　等中间环节，因此也提高了与ＤＳＰ之间的接口速度。它占用两个地址位，当Ａ０引脚为高　

电平时选择索引地址端口，可以写入新的索引地址，或者读出数据但保持索引地址不变；　当Ａ０引脚为低电平时选择数据端口，可以读写索引地址对应的数据，并且在读写操作完　

成后自动将索引地址加１便于继续读写下一个数据。ＤＳＰ通过８位并口对ＣＨ３７４Ｓ芯片进　行读写操作的步骤是：先从索引地址端口写入索引地址，再连续读写若干个数据。　由ＤＳＰ对ＣＨ３７４Ｓ进行读写操作的部分程序如下：　

ｖｏｉｄ　Ｗｒｉｔｅ３７４Ｂｙｔｅ（ＵＩＮＴ８　ｍＡｄｄｒ，ＵＩＮＴ８　ｍＤａｔａ）　／／写ＣＨ３７４Ｓ　

｛　ＰＦＤＡＴＤＩＲ＝ＯＸ０ｌＯ１；　／／索引口　ｕｓｂＰｏｒｔ＝ｍＡｄｄｒ；　／／写地址　

ＰＦＤＡＴＤＩＲ＝０Ｘ０１００；　ａｓｍ（“ＮＯＰ”）；　ｕｓｂＰｏｒｔ＝ｍＤａｔａ；　｜｛数撮Ｂ　

ｆｌ写数据　

ＵＩＮＴ８　Ｒｅａｄ３７４Ｂｙｔｅ（ＵＩＮＴ８　ｍＡｄｄｒ）／牍ＣＨ３７４Ｓ　

｛　ＰＦＤＡＴＤＩＲ＝０Ｘ０１０１：　

ｕｓｂＰｏｒｔ＝ｍＡｄｄｒ；　ＰＦＤＡＴＤＩＲ＝０Ｘ０１００；　ａｓｍ（“ＮＯＰ”）；　／／索引口　，／读地址　

／／数据口　

ｒｅｔｕｍ　ｕｓｂＰｏｒｔ＆Ｏｘ００ＦＦ：　

）　设计文件系统，就是在指定的存储介质上，选择一种或几种数据组织方式，实现常用　的几个文件ＡＰＩ函数功能，最终实现数据的按名存取。因此文件设计的操作步骤可按如　

下方式进行：　①创建文件。在ＦＤＴ中申请新目录项。　

②写文件。当写一新文件时，需在ＦＡＴ表中查找未使用的簇，并将该簇号写入文件　２４　基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　Ｏ八一科技　

对应目录数据结构中的起始簇号位置。当此文件长度大于一簇时，还需在ＦＡＴ表中对应　

的起始簇号位置填入下一可用簇的簇号，直到文件的最后一簇（ＦＡＴ表中的相应位置填　ＦＦＦＦ）。若磁盘有备份ＦＡＴ，则须在备份ＦＡＴ表的相应位置填入正确的内容。　软件流程图如图３所示：　

图３创建文件并向其中写入数据流程图　

４大容量数据采集系统　

图４　系统结构框图　Ｏ八一科技　基于ＵＳＢ控制器的大容量数据采集系统设计　２５　

应用在某雷达中的大容量数据采集系统就是以嵌入式ＵＳＢ主控制器为主体进行设计　

的。其设计框图如图４所示。　系统通过Ｒｓ４２２接口与雷达进行数据交换，将接收到的数据经ＤＳＰ处理后，由　

ＣＨ３７４Ｓ驱动。存入可插拔的Ｕ盘中。同时，存入的数据可通过数码管实时地进行显示。　系统中的按键开关可以经ＤＳＰ通过ＲＳ４２２向雷达发出不同的指令，以控制雷达完成各项　

功能；指示灯则能根据雷达传送来的数据随时显示雷达的工作状态。此外，系统还具有　ＲＳ４２２／Ｒ￥２３２转换功能，可直接与计算机串口进行通信。　由于本系统采用ＣＨ３７４Ｓ作为ＵＳＢ主机接口芯片且采用ＦＡＴ３２文件系统存储数据，　

因此能支持的Ｕ盘最大容量为１００ＧＢ，即最多能采集１００ＧＢ的数据。并且支持１．５Ｍｂｐｓ　

低速和１２Ｍｂｐｓ全速ＵＳＢ通讯，相对于普通串ＩＺｌ来说，传输速率已经非常快了。　综上所述，利用本系统可将雷达处理后的目标相关信息直接保存到Ｕ盘中，操作方　

便，便于携带，也便于事后对数据的回放及分析，必要时还可通过此系统让雷达与计算机　直接进行通信。　

结语　

通过基于ＣＨ３７４Ｓ实现的ＵＳＢ主控制器接口，再加上一些必要的外围器件，可以方　便地构筑多种不同功能的数据存储系统。如地下矿井信息采集系统。可以在进入矿井之前　通过传感器采集矿井中温度、瓦斯浓度之类的信息存人Ｕ盘，经安全因素分析后再让人　下井作业，避免矿井事故的发生。又如轻轨铁路、家庭老人健康监测仪等，也可采用本系