张培森 黄启俊 余济海 梁韶华
(武汉大学物理学院微
电子学专业 武汉 430072)
0 引 言
本文来源于一机车智能测温项目(功能模块如图1所示)。在列车或其他重要电工场合，重要部件的温度变化是极需重视的安全参数，必须为其设计智能温度监测系统。当温度超标时，不但要能及时报警，还要实时记录并保存精确的时间、温度数据。通过对危险时刻及该时刻对应温度数据进行统计分析，可以检出不安全因素发生的规律，以制定有效的预防措施。
在图1中，数据存储模块采用USB总线接口方式，主要是由于USB具有可“热插拔”的特性，使保存数据的操作更为简便。采用CH375作USB接口芯片，则是基于以下因素的考虑。
一般情况下，
单片机或嵌入式系统处理USB存储设备的文件系统需要实现USB-HOST硬件接口数据交换层、传输协议层、SCSI／UFI／RBC命令层及文件系统管理4个层次。CH375的长处在于它内置了相关固件程序，包含了以上提到4个层次中的前3个。利用该芯片进行USB存储设备操作开发，就只需集中处理FAT文件系统层，大大缩短了开发的周期，对项目开发无疑是很好的选择。
CH375厂商已将文件系统管理层封包成库，对其进行开发时这一层可以忽略。然而，由于厂商未对一般用户提供此方面源码，开发过程中也带来了一些问题，例如：由于没有文件管理的C源码，进行程序调试就只能查看编译后的汇编代码，导致调试工作繁复，收效甚微；其次，尽管编译器已经作了优化，但编译后所占的系统资源仍远比用户自编文件管理子程序的大，这对资源极其有限的单片机非常不利；再次，由于开发平台不尽相同，芯片厂商提供的库子程序并不总有效，例如系统选用不同晶振时，库函数中的内嵌延时段的实现效果也会发生变化，往往造成USB设备与主机失去同步，这对于AVR等高档单片机更是如此。
由此可见，利用CH375操作USB存储设备，开发者很有必要熟悉FAT文件系统的格式。下文将从项目开发的实际出发，着重介绍进行文件管理的原理及编程步骤，以解决上文提及的困难。
1 USB总线接口的设计
1.1 硬件
电路设计
如图2所示，CH375芯片的TXD引脚接地，从而使其工作于并口模式。CH375芯片的8位双向数据总线直接与MCU数据口相连，RD#和WR#分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。片选信号CS#、中断引脚INT#以及地址输入线A0分别与MCU任意分配的引脚相连。当CS#为低电平时，选通CH375芯片；CH375向MCU请求中断时，将INT#引脚电平拉低；当A0引脚为高电平时，选择CH375的命令端口，可以写入命令，为低电平时选择数据端口，可以读写数据。
1.2 软件设计及实现
本系统要求当普通U盘接入时，系统自动在其根目录下创建名为“DATA.TXT”的文件，将MCU内置RAM已记录的温度、时刻数据以字符串格式写入该文件；若文件已存在，则将数据追加至文件末尾；最后返回主程序。软件按图3所示流程进行设计， 电路上电后，先测试芯片是否能对单片机输出指令正确做出反应，必要时进行硬件复位，接着将芯片工作模式设置为模式6，即自动发送SOF包的主机模式，这样，CH375与单片机就构成了最基本的USB-HOST，当USB设备接人时，接收到该包，就会让该包通过。CH375检测到设备连接上后会向MCU发中断信号，接着以查询CH375中断状态的方式等待U盘插入，若检测到表征设备接入的中断状态，则表明U盘已连接。接着向CH375输出CMD_DISK_INIT，该命令将复位USB总线、读取并分析设备的描述符，然后自动配置，并建立起与设备之间的连接，完成后返回中断状态USB_INT_SUCCESS。上述步骤执行之后，芯片初始化的工作就完成了。
接着编写扇区读写程序。对于存储设备来说，文件管理几乎都是“块操作”方式，即使只修改存储设备中一比特的数据，也必须将包含该比特的整个扇区读出，找到相应位置进行修改，再把修改好的扇区数据写回原位置。对于大多数USB接口芯片，读写扇区的阶段要求我们熟悉SCSI或UFO协议指令，利用特定指令来完成操作。而CH375内嵌了支持此方面指令的固件，当读扇区时，发CMD_DISK_READ，与CMD_DISK_RD_GO配合使用，则可在USB存储设备中任意读取1至255个扇区的数据；只需将CMD_DISK_WRITE与CMD_DISK_WR_GO指令结合使用，则可在U盘中任意写入1至255个扇区数据。
进行文件读写前，必须完成以下工作：
根据DOS文件管理系统格式，声明必要的结构体，用于增强程序的跨平台可操作性及可读性。需要定义的结构体为DPT(DOS分区表)、MBR(主引导记录)、BPB16(BIOS参数块，仅适合于FAT12及FAT16)、BPB32(仅适合于FAT32)、FDT(文件目录表)、LFDT(长文件名FDT)等。除DPT、MBR外，其它结构体的内容在FAT硬件白皮书中均有专门表格详细说明。
