USB OTG技術及其在存儲測試中的應用

USB OTG技術及其在存儲測試中的應用

存儲測試是在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體或測試現(xiàn)場放置微型數(shù)據(jù)采集與存儲測試儀，現(xiàn)場實時完成信息的快速采集與記憶，事后回收并由計算機處理和再現(xiàn)測試信息的一種動態(tài)測試技術。存儲測試的主要技術特點是現(xiàn)場實時快速完成動態(tài)數(shù)據(jù)采集與存儲記憶，特別是在多種惡劣環(huán)境和緊湊設計條件下完成動態(tài)參數(shù)測試，事后回收處理再現(xiàn)。傳統(tǒng)的存儲測試儀存在著如下不足：

　　(1)存儲介質置于儀器內(nèi)部，回讀數(shù)據(jù)必須將整個儀器伺收。由于存儲測試所面臨的測試環(huán)境復雜，往往加裝了復雜、笨重的防護體或置于掩體中，給儀器的拆卸回收造成了困難。而戶外回讀分析數(shù)據(jù)往往受條件所限難以續(xù)施。 (2)隨著存儲測試技術的發(fā)展，存儲測試所面臨的對豫和環(huán)境日趨復雜，測試時間和所需容量靈活多變，并逐步加大。由于傳統(tǒng)的存儲測試儀設計結構所限，不同容量就意味著要重新設計生產(chǎn)新的儀器。

　　(3)當前的計算機主板普遍集成了USB接口，存儲測試儀一貫采用的"大端口"如：并口、串口等已逐漸被拋棄。一些新推出的主板甚至只集成了。 USB 口。存儲測試儀接口必須適應這一轉變，通過一定的措施實現(xiàn)基于。USB 口的通信。本設計采用南京沁恒公司的CH375和Atmel的ATMEGA32單片機所設計的存儲測試儀有效克服了以上的不足，在實際應用中取得了良好的效果。U盤作為新型移動存儲設備，以體積小、速度快、抗震動、通用性強的特點備受青睞。該系統(tǒng)通過單片機對U盤進行讀寫操作，采集數(shù)據(jù)按文件方式直接存儲到U盤，可以有效提高數(shù)據(jù)保存速度及可靠性。特別適合于長時問、大容量數(shù)據(jù)采集的場合，方便了與PC等上位機進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、室內(nèi)分析數(shù)據(jù)。通過更換U盤可以靈活選擇系統(tǒng)容量，極大地提高了存儲測試儀的通用性，降低了測試成本。

　　2 USB OTG及海量存儲設備協(xié)議

　　作為USB 2．0的補充規(guī)范USB OTG(On The Go)以其雙重強大功能使USB設備擺脫了對PC的完全依賴，USB外設在無PC主機參與的情況下可以直接互連以進行通信。USB通信以分層方式進行，總體上可分為功能層、USB設備層和總線接口層。U盤屬于USB家族內(nèi)的海量存儲(USB Mass Storage)設備，是一種基于塊／扇區(qū)的隨機存儲設備，他與主機之間采用"控制／批量／中斷"(CBI)方式或"批量"(Bulk-Only)方式與主機通信。USB通信協(xié)議規(guī)范十分復雜，'USB海量存儲協(xié)議包括CBI，Bulk-Only，ATA和UFI等4個獨立的子類規(guī)范。前2個子規(guī)范定義了數(shù)據(jù)／命令／狀態(tài)在USB總線上的傳輸方法，后2個子規(guī)范定義了存儲介質的操作命令。其中，ATA命令規(guī)范用于硬盤，UFI命令規(guī)范則是針對USB移動存儲制定的。U盤在進行數(shù)據(jù)保存之前，必須先按某個文件系統(tǒng)的規(guī)定進行格式化。相對于計算機硬盤來說U盤的存儲容量要小得多，因此在U盤中FAT16文件系統(tǒng)可取得比較高的綜合效率且兼容性較好，廣泛地應用于U盤之類的移動存儲設備中。FAT16文件系統(tǒng)結構分為5個部分：MBR區(qū)，DBR區(qū)，F(xiàn)AT 區(qū)，F(xiàn)DT區(qū)，DATA區(qū)。其中MBR區(qū)為主引導記錄區(qū)，DBR區(qū)為操作系統(tǒng)引導記錄區(qū)，F(xiàn)AT區(qū)存放文件分配表，F(xiàn)DT區(qū)存放文件目錄表，DATA區(qū)是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

　　3 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)采用AVR高檔機系列*能強大的單片AT-mega32作為中央處理芯片，選用南京沁恒電子公司的CH375作為USB主機控制芯片。硬件系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示：

　　ATMEGA32是一款基于AVR RISC結構的低功耗8位單片機，外接：16 MHz晶振性能可達：16 MI／S。AT-mega32包含了32 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，1kBE2PROM，2kB SRAM，32個通用I／O 口，32個通用工作寄存器，一個8路10位具有可選增益差分輸入的A／D轉換器，支持多種接口方式。豐富的片上存儲器空間極大地提高了對U盤操作時的工作效率，多樣化的外圍接口方便了系統(tǒng)的擴展，高效的CPU指令集可以使系統(tǒng)獲得比較高的采樣率。CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，同時支持5 V和3．3 V電源電壓，遵循USB 1．1規(guī)范。因此CH375作全速USB Host。主機接口時只需外加晶振和電容，就可以方便地掛接到單片機／DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。由于讀寫U盤或移動硬盤時一般都是以扇區(qū)模式進行的，為了進一步提高執(zhí)行效率可以適當增大磁盤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和文件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(都是512 B的整數(shù)倍)，并且緩沖區(qū)越大，執(zhí)行的效率越高，所以外擴了32 kB的RAM 62256。傳感器信號經(jīng)模擬電路調(diào)理之后由A／D轉換器MAX 153量化成數(shù)字信號，在單片機ATMEGA32的控制下循環(huán)存入62256。待觸發(fā)信號到來之后，按照程序預設的負延遲點數(shù)將62256扣的數(shù)據(jù)連同后續(xù)到來的信號全部經(jīng)由CH375存入外掛的U盤，直至寫滿在U盤中新建的文件并關閉。同時由系統(tǒng)所設置的狀態(tài)燈指示工作已完成。

實際設計中ATMEGA32與CH375接口部分的原理圖如圖2所示：

　　4 系統(tǒng)軟件設計

　　USB大容量存儲設備軟件結構示意圖3所示：

　　一般情況下，單片機或嵌入式系統(tǒng)處理USB存儲設備的文件系統(tǒng)需要實現(xiàn)圖3左邊的幾個層次，右邊是USB存儲設備的內(nèi)部結構層次。由于 CH375不僅是一個通用的USB-HOST硬件接口芯片，還內(nèi)置了相關的固件程序，簡化了外部編程。內(nèi)置固件包含上圖左邊的UFI命令層，USB基本傳輸命令層及Bulk-Only協(xié)議層，所以實際的單片機程序只需要處理FAT文件系統(tǒng)層，并且即使這一層也可以由CH 375的U盤文件級子程序庫實現(xiàn)。CH375以C語言子程序庫提供了。USB存儲設備的文件級接口，這些應用層接口API包含了常用的文件級操作，可以移植并嵌入到各種常用的單片機程序中。

　　這里采用ICC AVR軟件來編寫ATMEGA32的程序，并調(diào)用CH375所提供的AVRU盤文件級子程序庫CH375HFB．A。程序運行并初始化后，系統(tǒng)進入待觸發(fā)狀態(tài)。檢測到觸發(fā)信號到來之后，通過 CH375FileCreate新建文件，將AD所采集的數(shù)據(jù)通過CH375FileWrite寫入U盤，文件寫滿之后調(diào)用CH375FileClose 關閉文件。采集結束之后直接取下外接的U盤便可以拿回室內(nèi)分析。由于采用了文件管理模式，所需操作十分簡單，就像平常讀取U盤中的文件一樣。

　　5 結 語

　　經(jīng)測試該系統(tǒng)在實際使用時達到了預想效果，克服了以前存儲測試儀的一些不足。尤其對于緩變大容量信號的采集取得了良好效果。由于CH375只支持USB1．1協(xié)議，并且采用了單片機作為控制器負責管理整個系統(tǒng)的運行，勢必影響到儀器的采樣率。因此，選用支持USB 2．0協(xié)議的OTG器件，同時采用性能更好的控制器如DSP，CPLD等可極大地提高儀器的采樣速率，以適應更高的需求。