采用CH375的USB接口芯片实现机车智能测温系统的设计
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。
声明并初始化必要的全局变量。首先必须读取首个物理扇区，即mbr扇区，取得dbr的相对起始地址，然后读取dbr的内容。有些u盘没有mbr，首个物理扇区就是dbr区，因此必须进行判断：若扇区首字节为0xeb或0xe9，则为dbr区，否则为mbr区。其次设置重要变量，并计算dos各分区的起始lba值。需要处理的变量按先后顺序如下：每扇区字节数、每簇扇区数、fat表起始地址、单fat表扇区数、根目录区扇区数（fat32为0）、数据区起始地址、数据区总簇数、fat类型及根目录的起始地址等。fat类型按如下标准进行判定，如果数据区总簇数少于4085，则为fat12类型；否则，若少于65525，则为fat16；大于或等于65535为fat32。
定义大小端模式转换程序。单片机对于字或双字数据的存储多采用大端模式，而绝大多数pc机为小端模式。u盘中的文件管理由于要兼容pc机，存储格式几乎均为小端格式。因此进行u盘数据操作时，如果读写字或双字数据，则必须进行大小端模式转换。
fat表基本操作，包括查找空簇、读写指定簇内容。可编写子函数来解决查找空簇的问题，设计思路为读取fat表特定扇区，然后按fat类型不同分情况讨论。从第2簇开始，将代表特定簇的单元逐个与0比较，若不为0，则偏移地址作相应移动，例如fat16每次移动2字节，而fat32为4字节；至于fat12，由于每12比特表征一簇，必须考虑fat扇区的“边界问题”（如图4所示），需判断簇的奇偶性、设置边界校验标志，以解决边界问题。对给定簇号以读写fat表对应单元的问题，也可编写子函数进行解决，该函数需要指定簇号、待写内容，还要给定输出指针变量。执行时根据簇号计算指定簇号所在扇区地址，将其读出，然后另存指定簇的内容，写入新内容，最后将修改后的扇区数据重新写入u盘原位置。为了使程序精简，还可将读指定簇内容的子程序与该函数并成单个子函数，考虑到待写内容即使在fat32下，其有效值也不会超过0x0fffffff，因此编写程序时，可以均将其定义为双字类型，然后设定某值，例如0xf0000000，若待写内容为此值时，则不写入该簇内容，这样就保证了对fat表只读不写。
最后，对fdt表进行基本操作及文件的创建、读写。根据文件系统有无根目录区，分情况读取fdt特定扇区。分析扇区数据时，如果待查看文件与待写入文件重名，则要读出文件首簇号及大小，到fat表找到文件末簇，接着根据文件大小，判断待添加内容在簇中哪个扇区、扇区的哪个位置，读出并修改该扇区内容，然后重新写入，最后修改文件大小。
2 、c语言移植
由于c语言具有良好的可移植性，编写文件管理程序，推荐在pc机上先实现，再移植至单片机平台。在pc机实现，硬件上只要求pc机有usb口；而软件方面，pc机编程具有以下特点：（1）读写扇区有专用函数；（2）要使用伪指令#pragma pack（1），使编译后的结构体字节对齐；（3）读写字或双字数据不必进行大小端模式的转换。
对于读写扇区，主要有以下两种方案：
其一，调用windows api函数进行基本扇区读写。开发工具dev—c++，包含头文件windows.h。方法是调用createfile（ ）打开设备端口；接着用setfilepointer（ ）调整字节位置；最后用readfile（ ）或writefile（ ）进行扇区读写。
其二，调用dos函数进行扇区读写。有两组函数供调用：（1）biosdisk（ ），功能是使用中断0x13，直接调用bios进行磁盘操作；（2）absread（ ）及abswrite（ ），可读写u盘的逻辑扇区，调用前须确定存储设备盘符，需指定待操作的逻辑扇区号。
在pc机上编写文件管理程序，无需外接硬件，操作简易；软件调试通过之后，代码可高效移植至单片机平台，极大提高了项目的开发效率。
3、 结果比较
项目中本部分程序篇幅670行，文件管理层自编程序进行调试，在型号atmega64的avr单片机平台上测试通过。表1为采用iccavr编译后资源占用情况的对比，可见自编代码占用资源仅占后者的70％，远胜于后者。至于执行单步调试、修改延时等方面，其直观灵活性更明显。
4 、结束语
在所涉及项目中，通过自编文件管理操作代码，使程序更为优化，极大减小了主系统的负担。按此方法设计的测温系统，能实时记录危险时刻的温度、时间数据，操作者只需往usb接口插入存储设备，系统即将数据以文本写入设备，简单实用，易于推广。通过分析读取到的数据，对确定电力部件发热状况、找出危险因素并进行预防，均有实用价值。
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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
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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。
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fat表基本操作，包括查找空簇、读写指定簇内容。可编写子函数来解决查找空簇的问题，设计思路为读取fat表特定扇区，然后按fat类型不同分情况讨论。从第2簇开始，将代表特定簇的单元逐个与0比较，若不为0，则偏移地址作相应移动，例如fat16每次移动2字节，而fat32为4字节；至于fat12，由于每12比特表征一簇，必须考虑fat扇区的“边界问题”（如图4所示），需判断簇的奇偶性、设置边界校验标志，以解决边界问题。对给定簇号以读写fat表对应单元的问题，也可编写子函数进行解决，该函数需要指定簇号、待写内容，还要给定输出指针变量。执行时根据簇号计算指定簇号所在扇区地址，将其读出，然后另存指定簇的内容，写入新内容，最后将修改后的扇区数据重新写入u盘原位置。为了使程序精简，还可将读指定簇内容的子程序与该函数并成单个子函数，考虑到待写内容即使在fat32下，其有效值也不会超过0x0fffffff，因此编写程序时，可以均将其定义为双字类型，然后设定某值，例如0xf0000000，若待写内容为此值时，则不写入该簇内容，这样就保证了对fat表只读不写。
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2 、c语言移植
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对于读写扇区，主要有以下两种方案：
其一，调用windows api函数进行基本扇区读写。开发工具dev—c++，包含头文件windows.h。方法是调用createfile（ ）打开设备端口；接着用setfilepointer（ ）调整字节位置；最后用readfile（ ）或writefile（ ）进行扇区读写。
其二，调用dos函数进行扇区读写。有两组函数供调用：（1）biosdisk（ ），功能是使用中断0x13，直接调用bios进行磁盘操作；（2）absread（ ）及abswrite（ ），可读写u盘的逻辑扇区，调用前须确定存储设备盘符，需指定待操作的逻辑扇区号。
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