汽車(chē)行駛記錄儀中USB HOST相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)

本文介紹了基于單片機(jī)和USB HOST接口芯片在汽車(chē)行駛記錄儀中實(shí)現(xiàn)USB HOST功能的相關(guān)模塊設(shè)計(jì)，該模塊很好地實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)行駛記錄儀中單片機(jī)向優(yōu)盤(pán)大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。

USB HOST相關(guān)模塊的總體設(shè)計(jì)

汽車(chē)行駛記錄儀中的USB HOST相關(guān)模塊由單片機(jī)、USB HOST接口、FLASH、鐵電存儲(chǔ)體（FRAM）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理等部分組成，其功能框圖如圖1所示。汽車(chē)行駛記錄儀工作時(shí)，由單片機(jī)通過(guò)前端接口電路拾取汽車(chē)行駛狀態(tài)的各種信息，包括車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和各種車(chē)輛開(kāi)關(guān)信號(hào)等。汽車(chē)行駛記錄儀以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，把車(chē)輛信息按類(lèi)別分別存入FRAM和FLASH。需要從汽車(chē)行駛記錄儀中獲取汽車(chē)記錄狀態(tài)信息時(shí)，用戶(hù)插入優(yōu)盤(pán)，單片機(jī)自動(dòng)識(shí)別優(yōu)盤(pán)并加載驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)完成設(shè)備枚舉和Bulk_Only傳輸協(xié)議后，單片機(jī)就可以把汽車(chē)行駛記錄儀中記錄的狀態(tài)信息以文件的形式傳輸?shù)絻?yōu)盤(pán)。本文重點(diǎn)介紹電源模塊、USB HOST模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的硬件設(shè)計(jì)。

考慮到汽車(chē)的復(fù)雜工況以及記錄儀的性?xún)r(jià)比，單片機(jī)至少為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，由于有USB HOST結(jié)構(gòu)，F(xiàn)LASH和RAM要足夠大，這樣系統(tǒng)資源才夠用。另外，考慮到成本和開(kāi)發(fā)周期，單片機(jī)選擇51系列比較有利，綜合以上因素，單片機(jī)選擇AT89C51RD2，擴(kuò)展RAM；目前市場(chǎng)上的USB設(shè)備芯片比較多，而HOST要少一些。選擇USB HOST接口芯片要考慮兩點(diǎn)：一是在硬件上必須比較容易和51單片機(jī)相連接，二是軟件開(kāi)發(fā)難度不能太大，因此選擇SL811HST。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體，必須滿(mǎn)足存儲(chǔ)時(shí)間為15年有效，而且存儲(chǔ)容量為至少360小時(shí)有效數(shù)據(jù)，普通數(shù)據(jù)FLASH擦寫(xiě)次數(shù)為100萬(wàn)次，不能滿(mǎn)足記錄儀中頻繁擦寫(xiě)數(shù)據(jù)的要求，而鐵電擦寫(xiě)次數(shù)為無(wú)限次，但大容量FRAM價(jià)格很高，綜合這兩點(diǎn)，存儲(chǔ)體采用小容量FRAM和FLASH結(jié)合，這樣既滿(mǎn)足記錄儀要求又有比較低的成本。

電源模塊硬件設(shè)計(jì)

汽車(chē)電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾的最根本原因就是在其工作過(guò)程中產(chǎn)生的di/dt。電源模塊設(shè)計(jì)就是要在這些干擾源下能正常工作，其硬件電路如圖2所示。

在電源輸入處，二極管VD1（IN4007）的作用是防止反接，這樣即使在電源接反的情況下，電子設(shè)備也不會(huì)被損壞；VD2（A36A）為瞬態(tài)抑制二極管，能吸收高壓脈沖電壓，防止大功率器件工作時(shí)產(chǎn)生的高壓脈沖對(duì)電子設(shè)備的損壞；L1和L2是低電感磁條，其能有效的損耗干擾成分的能量，能很好改善電源性能；F1和F2為自復(fù)位二級(jí)管，防止電子設(shè)備內(nèi)有器件被損壞時(shí)，電源短路造成對(duì)其他器件的損壞。三端穩(wěn)壓管7812（N2）提供12V電壓滿(mǎn)足前端輸入接口拾取電路的需要，同時(shí)給三端穩(wěn)壓器7808（N1）提供輸入，N1提供8V電壓，滿(mǎn)足里程輸出以及速度輸出需要，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2576（N3）提供5V輸出，最大輸出電流為3A，滿(mǎn)足記錄儀帶打印機(jī)的需要。WRD24B05（N4）為DC-DC轉(zhuǎn)換器，隔離汽車(chē)和電子設(shè)備電源，使設(shè)備電源穩(wěn)定可靠。正向電壓調(diào)節(jié)器SPX1117（N5）提供3.3V電壓，供SL811HST和存儲(chǔ)體的需要，N6前端的晶體管8550控制N6的輸入，N6給IC卡供電，需要電源可控。

USB HOST模塊硬件設(shè)計(jì)

在汽車(chē)行駛記錄儀USB HOST模塊中，單片機(jī)采用AT89C51RD2，USB HOST接口芯片采用SL811HST，該模塊硬件電路如圖3所示，SL811HST提供并口總線(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議和控制線(xiàn)CS、RD、WR、INTRQ以及A0，利用單片機(jī)的讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)RD、WR，以及控制線(xiàn)A0、INT1就能把SL811HST和AT89C51RD2連接起來(lái)，其中8根數(shù)據(jù)線(xiàn)在控制線(xiàn)的控制下與AT89C51RD2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。USB HOST包含有USB設(shè)備枚舉協(xié)議、Bulk_Only傳輸協(xié)議以及FAT文件結(jié)構(gòu)，AT89C51RD2的RAM資源不夠，因此，系統(tǒng)擴(kuò)展了32Kb SRAM，其占有低32Kb地址。為了保證操作SL811HST的可靠性，用HC00擴(kuò)展了邏輯電路，因此SL811HST占有0x8000和0x8001兩個(gè)地址。另外，USB總線(xiàn)的電氣特性要求在USB收發(fā)器之前必須串接22～44Ω電阻，同時(shí)必須根據(jù)不同的USB設(shè)備傳輸速度（全速或低速），配置好上拉電阻和下拉電阻的位置。

當(dāng)CS、RD有效時(shí)，如果A0為高，這是讀當(dāng)前地址或寄存器數(shù)據(jù)，如果A0為低，則讀當(dāng)前地址或寄存器地址。當(dāng)CS、WR有效時(shí)，如果A0為高，這是寫(xiě)當(dāng)前地址或寄存器數(shù)據(jù)，如果A0為低，則寫(xiě)當(dāng)前地址或寄存器地址。

USB HOST識(shí)別設(shè)備過(guò)程如下：當(dāng)SL811HST連接上USB設(shè)備后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。AT89C51RD2接收到中斷后，進(jìn)入枚舉過(guò)程。從USB設(shè)備插入接口開(kāi)始到客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序能夠使用該設(shè)備還有一些工作要做，這一段可以稱(chēng)作設(shè)備識(shí)別過(guò)程，也稱(chēng)枚舉過(guò)程。枚舉過(guò)程是所有USB設(shè)備使用前必經(jīng)的過(guò)程，USB HOST端在使用前需要知道這是一個(gè)低速設(shè)備還是一個(gè)全速設(shè)備，需要知道這個(gè)設(shè)備的一些特性和能力，以便載入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)USB HOST配置完USB設(shè)備后，通過(guò)描述符提供的信息識(shí)別出Bulk_Only的Mass Storage設(shè)備，然后進(jìn)入Bulk_Only 傳輸方式，在此方式下，USB與設(shè)備之間的所有數(shù)據(jù)均通過(guò)Bulk_In和Bulk_Out 來(lái)傳輸，不再通過(guò)控制端點(diǎn)傳輸任何數(shù)據(jù)。在這種傳輸方式下，有三種數(shù)據(jù)類(lèi)型在USB和設(shè)備之間傳輸，CBW、CSW和普通數(shù)據(jù)。CBW（Command Block Wrapper，即命令塊分組）是從USB HOST發(fā)送到設(shè)備的命令，命令的格式遵從接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令塊，這里為SCSI傳輸命令集。USB設(shè)備需要將SCSI命令從CBW中提取出來(lái)，執(zhí)行相應(yīng)的命令，完成以后向HOST發(fā)出當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)CSW（Command Status Wrapper）, HOST根據(jù)CSW來(lái)決定是否繼續(xù)傳送下一個(gè)CBW或數(shù)據(jù)。USB HOST要求USB設(shè)備執(zhí)行的命令如果為發(fā)送數(shù)據(jù)，則此時(shí)需要將特定的數(shù)據(jù)傳送出去，傳送完畢后發(fā)出CSW，使USB HOST進(jìn)行下一步操作。

圖2 電源模塊原理圖

圖3 USB HOST模塊原理圖

存儲(chǔ)模塊硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合普通FLASH和FRAM來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，既滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擦寫(xiě)次數(shù)的要求，也有比較低的成本。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的硬件電路如圖4所示。

FRAM芯片F(xiàn)M24CL16通過(guò)I2C接口和AT89C51RD2相連，I2C總線(xiàn)通過(guò)兩根線(xiàn)——串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）線(xiàn)連接到總線(xiàn)上的任何一個(gè)器件，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器。此外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以看作是主機(jī)或從機(jī)，I2C是一個(gè)多主機(jī)總線(xiàn)，SDA和SCL都是雙線(xiàn)路，連接到總線(xiàn)的器件的輸出級(jí)必須是漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路，都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓。當(dāng)總線(xiàn)空閑時(shí)，這兩條線(xiàn)路都是高電平。FLASH芯片AT45DB041通過(guò)SPI接口和AT89C51RD2相連接，SPI是一個(gè)全雙工的串行接口，采用三線(xiàn)同步的數(shù)據(jù)傳輸形式。在一定的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，接口上只能有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信。在一次傳輸過(guò)程中，主機(jī)總是向從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，而從機(jī)也總是向總機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖4 存儲(chǔ)模塊原理科

小結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)行駛記錄儀的USB HOST功能，使汽車(chē)行駛記錄儀與優(yōu)盤(pán)可進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的快速交換。基于本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在送檢、認(rèn)證和使用過(guò)程中，USB HOST技術(shù)性能達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和技術(shù)要求，方便了用戶(hù)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集。