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本文來源于一機車智能測溫項目(功能模塊如圖1所示)。在列車或其他重要電工場合，重要部件的溫度變化是極需重視的安全參數，必須為其設計智能溫度監測系統。當溫度超標時，不但要能及時報警，還要實時記錄并保存精確的時間、溫度數據。通過對危險時刻及該時刻對應溫度數據進行統計分析，可以檢出不安全因素發生的規律，以制定有效的預防措施。 在圖1中，數據存儲模塊采用USB總線接口方式，主要是由于USB具有可“熱插拔”的特性，使保存數據的操作更為簡便。采用CH375作USB接口芯片，則是基于以下因素的考慮。 一般情況下，單片機或嵌入式系統處理USB存儲設備的文件系統需要實現USB-HOST硬件接口數據交換層、傳輸協議層、SCSI／UFI／RBC命令層及文件系統管理4個層次。CH375的長處在于它內置了相關固件程序，包含了以上提到4個層次中的前3個。利用該芯片進行USB存儲設備操作開發，就只需集中處理FAT文件系統層，大大縮短了開發的周期，對項目開發無疑是很好的選擇。 CH375廠商已將文件系統管理層封包成庫，對其進行開發時這一層可以忽略。然而，由于廠商未對一般用戶提供此方面源碼，開發過程中也帶來了一些問題，例如：由于沒有文件管理的C源碼，進行程序調試就只能查看編譯后的匯編代碼，導致調試工作繁復，收效甚微；其次，盡管編譯器已經作了優化，但編譯后所占的系統資源仍遠比用戶自編文件管理子程序的大，這對資源極其有限的單片機非常不利；再次，由于開發平臺不盡相同，芯片廠商提供的庫子程序并不總有效，例如系統選用不同晶振時，庫函數中的內嵌延時段的實現效果也會發生變化，往往造成USB設備與主機失去同步，這對于AVR等高檔單片機更是如此。 由此可見，利用CH375操作USB存儲設備，開發者很有必要熟悉FAT文件系統的格式。下文將從項目開發的實際出發，著重介紹進行文件管理的原理及編程步驟，以解決上文提及的困難。 1 USB總線接口的設計 1.1 硬件電路設計 如圖2所示，CH375芯片的TXD引腳接地，從而使其工作于并口模式。CH375芯片的8位雙向數據總線直接與MCU數據口相連，RD#和WR#分別連接到單片機的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。片選信號CS#、中斷引腳INT#以及地址輸入線A0分別與MCU任意分配的引腳相連。當CS#為低電平時，選通CH375芯片；CH375向MCU請求中斷時，將INT#引腳電平拉低；當A0引腳為高電平時，選擇CH375的命令端口，可以寫入命令，為低電平時選擇數據端口，可以讀寫數據。 1.2 軟件設計及實現 本系統要求當普通U盤接入時，系統自動在其根目錄下創建名為“DATA.TXT”的文件，將MCU內置RAM已記錄的溫度、時刻數據以字符串格式寫入該文件；若文件已存在，則將數據追加至文件末尾；最后返回主程序。軟件按圖3所示流程進行設計， 電路上電后，先測試芯片是否能對單片機輸出指令正確做出反應，必要時進行硬件復位，接著將芯片工作模式設置為模式6，即自動發送SOF包的主機模式，這樣，CH375與單片機就構成了最基本的USB-HOST，當USB設備接人時，接收到該包，就會讓該包通過。CH375檢測到設備連接上后會向MCU發中斷信號，接著以查詢CH375中斷狀態的方式等待U盤插入，若檢測到表征設備接入的中斷狀態，則表明U盤已連接。接著向CH375輸出CMD_DISK_INIT，該命令將復位USB總線、讀取并分析設備的描述符，然后自動配置，并建立起與設備之間的連接，完成后返回中斷狀態USB_INT_SUCCESS。上述步驟執行之后，芯片初始化的工作就完成了。 接著編寫扇區讀寫程序。對于存儲設備來說，文件管理幾乎都是“塊操作”方式，即使只修改存儲設備中一比特的數據，也必須將包含該比特的整個扇區讀出，找到相應位置進行修改，再把修改好的扇區數據寫回原位置。對于大多數USB接口芯片，讀寫扇區的階段要求我們熟悉SCSI或UFO協議指令，利用特定指令來完成操作。而CH375內嵌了支持此方面指令的固件，當讀扇區時，發CMD_DISK_READ，與CMD_DISK_RD_GO配合使用，則可在USB存儲設備中任意讀取1至255個扇區的數據；只需將CMD_DISK_WRITE與CMD_DISK_WR_GO指令結合使用，則可在U盤中任意寫入1至255個扇區數據。 進行文件讀寫前，必須完成以下工作： 根據DOS文件管理系統格式，聲明必要的結構體，用于增強程序的跨平臺可操作性及可讀性。需要定義的結構體為DPT(DOS分區表)、MBR(主引導記錄)、BPB16(BIOS參數塊，僅適合于FAT12及FAT16)、BPB32(僅適合于FAT32)、FDT(文件目錄表)、LFDT(長文件名FDT)等。除DPT、MBR外，其它結構體的內容在FAT硬件白皮書中均有專門表格詳細說明。 聲明并初始化必要的全局變量。首先必須讀取首個物理扇區，即MBR扇區，取得DBR的相對起始地址，然后讀取DBR的內容。有些U盤沒有MBR，首個物理扇區就是DBR區，因此必須進行判斷：若扇區首字節為0xeb或0xe9，則為DBR區，否則為MBR區。其次設置重要變量，并計算DOS各分區的起始LBA值。需要處理的變量按先后順序如下：每扇區字節數、每簇扇區數、FAT表起始地址、單FAT表扇區數、根目錄區扇區數(FAT32為0)、數據區起始地址、數據區總簇數、FAT類型及根目錄的起始地址等。FAT類型按如下標準進行判定，如果數據區總簇數少于4085，則為FAT12類型；否則，若少于65525，則為FAT16；大于或等于65535為FAT32。 定義大小端模式轉換程序。單片機對于字或雙字數據的存儲多采用大端模式，而絕大多數PC機為小端模式。U盤中的文件管理由于要兼容PC機，存儲格式幾乎均為小端格式。因此進行U盤數據操作時，如果讀寫字或雙字數據，則必須進行大小端模式轉換。 FAT表基本操作，包括查找空簇、讀寫指定簇內容。可編寫子函數來解決查找空簇的問題，設計思路為讀取FAT表特定扇區，然后按FAT類型不同分情況討論。從第2簇開始，將代表特定簇的單元逐個與0比較，若不為0，則偏移地址作相應移動，例如FAT16每次移動2字節，而FAT32為4字節；至于FAT12，由于每12比特表征一簇，必須考慮FAT扇區的“邊界問題”(如圖4所示)，需判斷簇的奇偶性、設置邊界校驗標志，以解決邊界問題。對給定簇號以讀寫FAT表對應單元的問題，也可編寫子函數進行解決，該函數需要指定簇號、待寫內容，還要給定輸出指針變量。執行時根據簇號計算指定簇號所在扇區地址，將其讀出，然后另存指定簇的內容，寫入新內容，最后將修改后的扇區數據重新寫入U盤原位置。為了使程序精簡，還可將讀指定簇內容的子程序與該函數并成單個子函數，考慮到待寫內容即使在FAT32下，其有效值也不會超過0x0fffffff，因此編寫程序時，可以均將其定義為雙字類型，然后設定某值，例如0xf0000000，若待寫內容為此值時，則不寫入該簇內容，這樣就保證了對FAT表只讀不寫。 最后，對FDT表進行基本操作及文件的創建、讀寫。根據文件系統有無根目錄區，分情況讀取FDT特定扇區。分析扇區數據時，如果待查看文件與待寫入文件重名，則要讀出文件首簇號及大小，到FAT表找到文件末簇，接著根據文件大小，判斷待添加內容在簇中哪個扇區、扇區的哪個位置，讀出并修改該扇區內容，然后重新寫入，最后修改文件大小。 2 C語言移植 由于C語言具有良好的可移植性，編寫文件管理程序，推薦在PC機上先實現，再移植至單片機平臺。在PC機實現，硬件上只要求PC機有USB口；而軟件方面，PC機編程具有以下特點：(1)讀寫扇區有專用函數；(2)要使用偽指令#pragma pack(1)，使編譯后的結構體字節對齊；(3)讀寫字或雙字數據不必進行大小端模式的轉換。 對于讀寫扇區，主要有以下兩種方案： 其一，調用Windows API函數進行基本扇區讀寫。開發工具Dev—c++，包含頭文件windows.h。方法是調用CreateFile( )打開設備端口；接著用SetFilePointer( )調整字節位置；最后用ReadFile( )或WriteFile( )進行扇區讀寫。 其二，調用DOS函數進行扇區讀寫。有兩組函數供調用：(1)biosdisk( )，功能是使用中斷0x13，直接調用BIOS進行磁盤操作；(2)absread( )及abswrite( )，可讀寫U盤的邏輯扇區，調用前須確定存儲設備盤符，需指定待操作的邏輯扇區號。 在PC機上編寫文件管理程序，無需外接硬件，操作簡易；軟件調試通過之后，代碼可高效移植至單片機平臺，極大提高了項目的開發效率。 3 結果比較 項目中本部分程序篇幅670行，文件管理層自編程序進行調試，在型號ATMega64的AVR單片機平臺上測試通過。表1為采用ICCAVR編譯后資源占用情況的對比，可見自編代碼占用資源僅占后者的70％，遠勝于后者。至于執行單步調試、修改延時等方面，其直觀靈活性更明顯。 4 結束語 在所涉及項目中，通過自編文件管理操作代碼，使程序更為優化，極大減小了主系統的負擔。按此方法設計的測溫系統，能實時記錄危險時刻的溫度、時間數據，操作者只需往USB接口插入存儲設備，系統即將數據以文本寫入設備，簡單實用，易于推廣。通過分析讀取到的數據，對確定電力部件發熱狀況、找出危險因素并進行預防，均有實用價值。 |
