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基于CH375的单片机U盘控制器的设计与实现

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基于CH375的单片机U盘控制器的设计与实现 《自动化与仪器仪表》 20 07 年第 4 期(总第 132 期 ) 基于C H 37 5的单片机u 盘控制器的设计与实现 邓清涛 , 杨 鹏 (重庆大学自动化学院 重庆 , 中以)044 摘 要 : 介绍了一种以USB 接口芯片田375和单片机为核心 , U盘为存储介质的数据存储方案 , 给出了 系统硬件实现和单片机读写U盘的应用程序 。 实验结果表明, 该方案具有成荆氏、 通用性强 、 可靠性高等 特点, 可方便地集成到各种测控系统中。 关键词 : 田375 ; USB ; 单片机 ; U盘 A b 如旧e 七 ...
基于CH375的单片机U盘控制器的设计与实现
《自动化与仪器仪表》 20 07 年第 4 期(总第 132 期 ) 基于C H 37 5的单片机u 盘控制器的与实现 邓清涛 , 杨 鹏 (重庆大学自动化学院 重庆 , 中以)044 摘 要 : 介绍了一种以USB 接口芯片田375和单片机为核心 , U盘为存储介质的数据存储 , 给出了 系统硬件实现和单片机读写U盘的应用程序 。 实验结果表明, 该方案具有成荆氏、 通用性强 、 可靠性高等 特点, 可方便地集成到各种测控系统中。 关键词 : 田375 ; USB ; 单片机 ; U盘 A b 如旧e 七 T hi s paP er ~ du ce a d a妞 sto 口罗 se hem e 俪th th e 任书h dis k as th e sto ra 罗 m edi a , w hi c h the U sB 谊te面c e chi p C川75 and 肠clo Co ntro ner U ni t 15 core , the 玩Lre嘛牡e 1111p lem e n o ti o n of sys tem an d 叩p石cati o n p m 多翅11 w hi eh 入五CrO C 0 n加ller U ni t re ad an d y 切口te the 几as h dis k 眼 谊Chi d e d厂几e res ul 朽 of exP e n lr le nt sh ow th a t the sc hem e fea tu res lo w Cos ts , stro ng u niv e lsal , 即。d rellab ili ty an d tha te chn 0 1o gy can be eas 勿 访卿笋此d mto 由玉比 n t tes助 g and co n tro ha 喀邓tem . 旋y wo 找如 : CH3 7 5; U SB ; 入五溯 C o n tr o lle r U ni t; U S B 且韶h dis k 中图分类号: 尸件忍33 . 2 文献标识码 : B 文章编号 : 1田1刁丝7 º 刀7)例代刀15代抖 O 引 言 近年来 , USB技术因其自身的优点 , 在各个领域得 到广泛应用 。 其接 口技术主要分为璐任日诱花似犯设 备 )和 US珍刊万T (USB 主机 ) 。 根据其的规范 , 在 USB的拓扑结构当中, 居于核心地位的是USB 主机 , 每 次数据的传输都是由主机发起和控制 〔l] 。 当前具有 USB 接口的设备 , 大多使用 USB SI 盛VE 技术 , 配合此机 使用 , 咒机作为USB主机。 而在传统的单片机系统中 , 并没有USB 主机。 为此 , 本文针对使用USB S以VE 技术 的U盘 , 说明如何在单片机系统中利用田375对其进行 操作 。 果是与51 系列单片机相连 , 由于单片机本身的速度较 慢 , 韶75 反而是最快的。 最终 , 从系统要求与开发的 2 人力成本和经济成本考虑 , 本系统选择田375作为 ’ usB 主控芯片 。 ‘ 1 系统硬件设计 1 . 1 USB接口芯片选择 USB接口芯片种类繁多 , 其中 , 具有代表性的有 CyP r e s s公司的 S货 1IHS , Ph i li p s公司的 ISP ll6 1A , 国 内则以沁恒公司的田375系列为代表 。 这些芯片各有优 点 , 适合不同的场合 。 如 ISP ll6 1A 支持USB协议 2. 0 , 而 S比n 可支持多种 USB设备 , 田375则将 USB 协议 、 麒路一S双巩昵E协议 、 以万1协议都集成到了片内, 可以直 接对U盘的扇区进行读写 , 另外厂家还提供U盘文件系 统操作库 , 这使得面向U盘等设备的开发变得更便捷。 至于传输速度 , 理论上S叨11HS 比川375快 , 但是 前者需要更多的外部程序 , 要提高速度并不容易 , 如 收稿日期 : 20 0 7一 0 4 一 1 0 1 . 2 CH375简介 川375是一种通用的璐B总线接 口芯片 , 支持璐于 味万T方式和 USf 卜班W ICI 酬Sl 乃VE 方式 仪, 。 在本地端 , 哪75 具有8位数据总线和读、 写 、 片选控制线以及中断输出 , 可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总 线上 。 田375芯片内部集成了刊工倍频器 、 主从USB 接口 SI E 、 数据缓冲区、 被动并行接口 、 异步串行接口 、 命 令解释器 、 控制传输的协议处理器 、 通用的固件程序 等 。 PLL 倍频器用于将外部输入的 13伯z时钟倍频到 硬腼12 , 作为璐B接口 SIE 时钟 ; 主从USB接 口用于完成 物理的USB 数据接收和发送 ; 数据缓冲区用于缓冲 USB接口S IE 收发的数据 ; 被动并行接口与异步串行接 口用于与外部单片机交换数据 ; 命令解释器用于分析 并执行外部单片机提交的各种命令 ; 控制传输的协议 处理器用于自动处理常用的控制传输的多个阶段 , 简 化外部固件编程 ; 通用的固件程序则是实现了!JSB的相 关协议 。 1 . 3 单片机与CH 375 的接口设计 Q1375 与单片机的连接方式有并口和串口两种方 式。 相对于串口连接 , 并口传输速度更快 , 但是所需 要的外部RAM也更多, 对于大多数51 系列单片机 , 需进 15 基于C H 37S 的单片机u 盘控制器的设计与实现 邓清涛 , 等 行外部RAM的扩展 ; 串口连接则不用扩展外部RAM, 但 只能用于传输速度要求不高的场合 。 本系统采用的是 并口连接方式 , 其硬件接口原理图见图1 。 图中叱75 的灿引脚通过 1K左右的下拉电阻接地 或直接接地 , 从而使Q1375工作于并口方式 。 数据线 加 ~ D7 , 读写控制线-即 , 柳R分别与单片机相对应的引 脚相连 。 单片机地址线A14 与田375的A0 相连接 , 由此 可以看出, 能75 只占用两个地址 。 单片机与其它芯片 的连接可以参考相关资料 , 本文不再累述。 为了提高系统的抗干扰性 , 璐B插座的5V 电源须与 0 1375和单片机的电源独立 , 以免U盘接入时存在的电 容充电过程影响0 1375和单片机 。 同时必须对电源退 藕 , 电容肠用于田375内部电源节点去藕 , 其容量为 1溯PF 到0 . 01 p F, 巴和C7 用于外部电源去藕 , 容量分别取 1的 p F和0. 1 p F 。 为使CH375 可靠复位 , 电源电压 从 0v 上升到 5V 的上升时间应该少于 1呱ns , 所以在 咫Tl引脚与V CC之间接一个容量为0 . 5 p F的电容延长复 位时间。 邓I八JFI/ RI犯命令传输及以T文件系统等功能〔3 , 。 但是对于施5 5 一 St o r ag e海量存储设备 , 田375内置 了USB通信协议的固件 , 并提供U盘文件级子程序库 , 单片机可以直接调用子程序读写U盘的文件数据 , 简化 了开发流程。 下面主要通过软件的工作流程来说明设 计过程。 其流程图见图2 。 2 系统软件设计 一般来说 , 在单片机下开发U盘的读写系统 , 外部 单片机需要编写驱动程序 , 会涉及较多的协议 , 从底 层到上层必须实现 USB 的控制传输、 USB 批量传输 、 等等待CH 3 7 5对对 UUU盘进行配置置 初初始化单片机机 及及CH 3 7 555 等等待中断断 创创建或打开文件件 对对文件进行行 读读写等操作作 对对 U盘进行复位位 图2 主毛游流程图 己己己己己己己己己己己己己己己己己它 V C CCCCC 己亡1 V D DDD VVV CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC LEEEEE CE ZZZ PPPO . CCC一卫坦 月月入 ((( . PO 0 00000 闪性性 XXX TA LI P0 . 1111111111111111111111111111111 { p 1 0 11111 沈沈 XXX TA LZ P0 . 222 一 J 亘 _月月卜 I _ iii{ 9 2 0 22222 A O D Q OOO 户户0 . 二二二二二二二二二二二二二二二二 } p 3 0 33333 A 1 D O III PPP0 . 444 J b 刀刀入 氏111} 9 4 0 44444 AZ D Q ZZZ 户户0 . 三三三三三三三三三三三三三三三三 } 9 5 0 55555 A 3 D Q 333 PPPO . 〔〔}为巨 月月入 1走走} p旦 0 66666 A 4 D O 444 PPPO 一 7777777777777777777777777777777 ⋯。7 _ 。7777777777777 A S D O SSS RRR S TTT }J 4 月月卜 1生生} G N DDD 门11111 A 6 D O 666 亡亡入IV PP Pl . CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC A 7 D Q 777 ::: p甘亡N Pl . 111〕 J 月月入 1白白白 一月11111 A 888 AAA LE P1 2222222222222222222222222222222222222222222 A 999 户户, . 333 .〕 试 月月入 1址 {{{{{ -月11111 A 1 000 PPP 1 . 4444444444444444444444444444444444444444444 A l lll RRR X D Pl . 555奎奎奎奎奎奎奎奎奎奎 A 1 222TTTTTTTTTTTTT x D Pl . 〔〔卫1 A SSSSS } G N DDD___ .N器器 1闪冲O 户1 . 77777777777777777777777777711111祠, ,,,,,,,,, 一0 0 v e eeeeeeeeeeeeeeeeeeeTTTTT O PZ . 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LIB 中的函数 in t CH3 75L ib ln i t O来完成的 , 该函数主要功能是复位 设备 , 设定田375工作于USB 主模式 , 并设定田375自动 检测设备的连接。 2 . 2 设备检测 设备插入时 , 田375 会以中断方式单片机 , 单 片机收到中断后 , 可以做相应处理 。 接着田375内置的 固件程序将完成对U盘的配置 , 首先是获得设备描述 符 , 以判别设备是哪一类设备 , 此时USB设备默认地址 为0 , 通信采用控制传输 。 接下来主机对略B设备分配 地址 , 地址从地址值为l到7日1可根据系统需要任意选 择 , 在以后与璐B设备通信时就用此地址 。 然后获取有 关设备配置的描述符 , 获取此描述符要进行两次请 求 , 第一次是试探性的 , 以便得到相关数据的具体长 度 , 第二次才返回接口以及端点的全部信息 〔4] 。 最后 按照得到的数据对璐B设备进行正确的配置 , 至此 USB 枚举过程结束 。 2.3 文件操作 (1) 相关协议 U盘属于施5 5一to r ag e类 , 采用Bu lk--(姐ly传输协 议 , 子类采用UF I等命令集 阁 , 当U盘枚举成功后 , 主 机与璐B设备就可以通过 Bu lk代b ly传输方式传输数 据 , 所有的通信数据都通过现试一IN和段几K以 ]T端点传 输 。 在这种传输方式下 , 有印W、 6 W和普通数据三种 类型的数据在USB和设备之间传送 。 而岌S工命块包含在 CBw中的最后 16 个字节中 , U盘设备可以从中提取并执 行 , 并返回执行的状态给主机。 哪75 内置了S“工命名集的相关固件 , 并提供了相应接口给用户使用 , 用户可以在此基础上以扇区方式 实现对U盘的操作 ; 当然 , 也可用实现队T文件系统 , 以文件的方式实现对U盘的操作 , 由于私T文件系统的 实现比较复杂 , 所以沁恒公司提供了相应的库 , 该库 也是 以 义5 1命 名集为基 础建 立 的 , 其可 以支持 FAI , 12/ F/ 汀16 / Fj 订3 2 。 本系统直接使用U盘子程序库实现 操作 。 (2 ) 文件的建立和打开 文件的建立和打开都需要先指定路径 , 路径的指 定方式如下所示 : 5 t r C Py (m C m d p a r a m . O P e n . m p a t h N a m e , “ \\CS I\\C H3 75 HFT . C’’ ) , 需要注意的是路径的长 度不能大于W送夕盯比球卜1个字符 , 文件名的格式则遵 循微软的8 . 3格式 。 其中嵌骊护岔舰是一个O田 卿曲锄类 型的结构 , 该结构的详细定义可以见哪7日苍议. H头文 件 。 设定好路径后 , 就可以创建或打开文件了, 打开 文件或目录的函数为 : 田375F il 以沙 O , 其操作比较简 单 , 无需做过 多说 明 ; 创建文件的函数为 : 姗75F ll 以扮e a te ( ) , 需要注意的是如果存在同名文件 , 那么该同名文件将首先被删除 , 然后再新建文 件 。 如果不希望已有文件被删除 , 那么应该事先调用 邸75F ll 团详n确认文件不存在后再新建 , 在文件创建成功后 , 文件会自动打开 , 以供读写 。 如果文件打开 或创建失败 , 会返回相应的错误码 , 程序应根据错误 码的类型做相应的处理 。 (3) 文件的读写 文件打开后 , 就可以对文件进行读写等操作了, 在 U盘文件库中 , 对文件读写分为两种模式 : 扇区模式和 字节模式 「司 。 在扇区模式下 , 以扇区为单位对u盘进行 读写操作 , 读写操作比较快 , 但需要额外的数据缓冲 区; 在字节模式下 , 以字节为基本单位对U盘文件进行 读写 , 读写速度较慢 , 不需额外的数据缓冲区 。 本系 统采用扇区方式对文件进行操作。 以扇区方式的写文件的函数为: C H 3 7 5Fu目V ri t已尺( ) , 该函数向当前已打开文件中写入数据 , 每次写入后 自动移动文件指针 , 第二次调用时将从第一次写入数 据的后面继续写入数据。 示例 : m Cm dPa r a m . Lo e a t e . m se e to r o ffs e t二 o x f f fff fff : /馏动文件指针到文件末尾*/ CH375 File Lo eat e ( ) ; /乍动文件指针 , 以便在原文件的末尾追加数据*/ m Cm dPa r a m. Wr itex m sec tor Co u n t = 2 ; /坞入 2个 扇区 , 也就是追加lK 字节的数据 */ m Cm dPa 二nL 衍 it或 d 、认加ffe r = 0x0 1姗 ; /循定缓冲区首地址*/ CH375 Filewr ite x ( ) ; / *以扇区为单位将指定缓冲 区数据写入文件写*/ 以扇区方式的读文件的函数为: 邪75F ll eRea dX ( ) , 该函数的使用方法与写文件操作方式类似 , 也需要 指定读取文件的扇区数 , 以及读出数据存放位置的首 地址等 。 具体操作可查询参考文献 [6] 关于U盘的其它操作 , 如U盘容量的查询、 文件的 搜索等 , 可用查询相关 , 在此不做过多的说明。 3 结 论 该系统己经用朗科、 紫光等U盘进行了测试 。 试验 结果表明 , 数据稳定可靠 , 系统能够完成文件的建 立 、 打开、 读写 , 且读写速度最高可达 2(X) 叮S左右 。 且系统能把文件存储为多种格式 , 存储后的数据能够 基于c H 37s 的单片机u 盘控制器的设计与实现 邓清涛 , 等 在支持琳T文件系统的计算机上打开 , 便于系统的分析 与共享。 在此基础上 , 系统可用运用于数据采集、 信 息记录等领域。 目前系统是基于US BI . 1协议的 , 如果要追求更高 的速度 , 可以选用高速的单片机和支持咙B2 . 0的控制 芯片构成系统 , 以提高系统速度 。 参考文献 6 向 前 . 在嵌入式系统中实现对U盘的操作口] . 单片机与嵌 入式系统应用 , 2(X] 5 , 肠- 39 南京沁恒公司 . 侧37 5中文手册 (一 ) [Z〕. 南京 , 2(XH 刘井权 , 王 宪 . 基于单片机的USB接口的设计 田 . 自动化 仪表 , 2(X沁 , 27 À , Z卜31 吴言高. 单片机下直接读写优盘的设计田 . 电子设计应用 , 2(X) 5 , 2 , l〕} . 102 饭哪q , Iflt e l , Mi e ro s o ft , NEC, Un iver sa l ser i a l bu s spe e i f ic a t i on Re v i s i on l , 2(X) l 南京沁恒公司 . USB芯片CH3 75 的评估板说明及应用参考 [2] . 南京 , 2(X H (上接第2页) 有源式电子互感器和无源式电子互感器中的光纤 信号有区别前者光纤中传输的是数字信号 , 后者是模 拟信号 (经过调制的线偏光) 。 电子式互感器由传感模块 (远端模块 ) 和合并单 元两部分组成。 合并单元是对来自各相传感模块的电流电压信号 进行同步处理供间隔层二次设备使用的装置 。 电子式互感器的二次设备与传统的二次设备区别是取 消了交流模块、 低通滤波模块和AD 转换模块 , 增加了 与合并单元的数字接口 。 合并单元和二次设备间有三种标准的传输协议 : 1压狱沁拱 es s 、 la万1850 飞卜1、 I EC6 185于于2 。 I仪烈犯科一 8为点对点串行通信方式、 工砚6 185 0任卜1为基于以太网 的点对点方式 、 工E伪18 5( 日干2为基于以太网的网络方 式。 I成烈沁科we s的特点是串行点对点方式传输时延确 定 , 可方便地采用插值技术进行同步 , 不需依赖于 C邢 。 工砚6 185于于2的特点是基于网络方式 , 减少接 口 、 便于信号共享 , 但应用了网络交换机 。 使数据同 步的实现变得复杂。 工砚61850的主要特点为分层的概 念、 面向对象的数据建模、 逻辑设备的逻辑节点 、 信 息的自描述 、 基于抽象通信服务接口 椒万1) 的服务映 射、 印仍E等。 电子式互感器在低电压等级上没有优势 : 因为只 有在高电压等级上 , 常规互感器的饱和问题、 绝缘复 杂、 体积庞大等体现得越显著 , 由此造价也越高 , 此 时电子式互感器的优势和经济性才能够得到体现。 一 般说来在 n 0I W及以下应用电子式互感器没有必要 。 目前能够提供从传感模块、 合并单元 、 配套二次 设备的电子式互感器达到实用阶段的国内外厂家有 : A田 、 SI 刚EN S 、 南瑞继保和南自新宁公司等。 能提供 合并单元的国内厂家更多一些 , 如南瑞科技 、 深圳南 瑞、 四方公司等。 3 结束语 2以万年3月27 日 , 全国首座数字化变电站 n okV 翠 峰数字化变电站在南方电网云南曲靖正式投入运行 , 经过4个月的考验 , 运行情况良好 。 这是我国电网运行 的一次技术革命 , 也是南方电网公司实施科技创新的 一次重要举措。 云南曲靖翠峰 lro 千伏数字化变电站作为国内第一 个完整意义上的数字化变电站 , 全站数字化技术在很 多方面都具有很强的前瞻性 。 整个变电站电缆沟里无 控制电缆和模拟量传输电缆 , 完全被光纤所替代 。 同 时 , 光电式互感器取代了传统的电磁式互感器 , 从根 本上解决了互感器在电流 、 电压信号在传输到二次设 备和处理过程中所产生的附加误差 , 大大提高了保护 系统、 测量系统和计量系统的准确性 , 充分体现出在 安全哇能 维修成本方面的优势。 数字化变电站是变电站自动化技术的发展方向。 数字化变电站的建设应从生产上的迫切需要出发 , 考 虑技术上 、 管理上的现实可能 , 积极探索 , 稳妥推 进 。 参考文献 黄益庄编著. 变电站综合自动化技术 [M] . 北京 ; 中国电力 出版社 , 2(X刀 杨奇逊 . 变电站综合自动化发展趋势口〕. 中国电机工程 学报 , 1以关1. 16 (3) 145 一 146 . 2 谈苏伟 . 变电站操作控制中心的一种模式口〕. 电力系统自 动化 , 199 7 , 21¼ : 55一 57 任雁铭 , 秦立军 , 杨奇逊 . 变 电站自动化系统中内部通信 内网的研究田 . 电网技术2以X) , 24 (5 )2 吴在军, 胡敏强 . 基于 I 砚6150 标准的变电站自动化系统 研究田 . 电网技术2(XX 〕, 279 (10) :61 币5
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