USB在PCR儀器嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著U盤的普遍使用和USB技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，方便用戶進(jìn)行程序修改和程序的存儲(chǔ)，PCR設(shè)計(jì)中采用可以熱插拔的USB接口，即在PCR硬件系統(tǒng)中加入了USB主控芯片，使其能夠?qū)盤等存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。

1 USB系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，USB的應(yīng)用大體可以采用兩種方案：一是直接采用集成USB設(shè)備接口的嵌入式微控制器;二是采用單獨(dú)的控制器和獨(dú)立的USB設(shè)備接口芯片。

為增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，該方案采用瑞薩單片機(jī)M30627FJPGP，加上USB設(shè)備接口芯片搭建硬件系統(tǒng)，具有低成本、易移植的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中，USB 設(shè)備接口芯片采用CH375，涉及框圖如圖1所示。CH375是一款符合USB 2.0協(xié)議的USB總線通用接口芯片，支持主機(jī)(HOST)方式和設(shè)備(SLAVE)方式，并可以動(dòng)態(tài)地切換主機(jī)和設(shè)備方式。

CH375芯片提供了通用的被動(dòng)并行接口，包括：8位雙向數(shù)據(jù)總線D0～D7、讀選通輸入引腳RD、寫選通輸入引腳WR、片選輸入引腳CS、中斷輸出引腳 INT以及地址輸入引腳A0。CH375以總線方式掛接在單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上，并且與多個(gè)外圍器件共存。單片機(jī)通過(guò)RD，WR高位地址譯碼產(chǎn)生片選CS和地址線P68(接CH375的A0引腳)的綜合控制，完成與CH375的通信。外擴(kuò)USB電路如圖2所示。

CH375芯片的RD和WR分別連接到單片機(jī)的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS由單片機(jī)的CS4選通。INT輸出的中斷請(qǐng)求是低電平有效，可以連接到單片機(jī)的外部中斷上，單片機(jī)使用中斷方式獲知中斷請(qǐng)求。

當(dāng)CS375(即CS)為低電平時(shí)，單片機(jī)可以與CH375進(jìn)行通信操作。此時(shí)，當(dāng)WR為高電平，RD和P68都為低電平時(shí)，CH375中的數(shù)據(jù)通過(guò) D0～D7輸出;當(dāng)RD為高電平且CS和WR及P68都為低電平時(shí)，D7～D0上的數(shù)據(jù)被寫入CH375芯片中;當(dāng)RD為高電平且CS和WR都為低電平而 A0為高電平時(shí)，D7～D0上的數(shù)據(jù)被作為命令碼寫入CH375芯片中。

CH375芯片的UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。CH375芯片內(nèi)置了電源上電復(fù)位電路，并可以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。為確保上電復(fù)位次序，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是通過(guò)CH375產(chǎn)生的，并將單片機(jī)與CH375共同接到外部復(fù)位電路上。

CH375芯片正常工作時(shí)需要外部為其提供12 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，在XI和XO引腳之間連接一個(gè)標(biāo)稱頻率為12 MHz的晶體，并且分別為XI和XO引腳對(duì)地連接一個(gè)容量為30 pF的高頻振蕩電容。

CH375芯片支持5 V電源電壓或者3.3 V電源電壓。該系統(tǒng)使用5 V工作電壓，并且V3引腳處外接容量為O.01 μF的電源退耦電容。

2 USB系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)USB 2.O協(xié)議，在一個(gè)USB系統(tǒng)中，任何一次通信都是由USB主機(jī)發(fā)起的。USB設(shè)備根據(jù)主機(jī)發(fā)來(lái)的命令給予響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在USB系統(tǒng)中，其軟件包括以下幾個(gè)部分：主機(jī)應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備固件程序。主機(jī)用于程序?yàn)橛脩籼峁┰O(shè)備應(yīng)用的操作平臺(tái)和交互界面，完成數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換，向設(shè)備發(fā)出控制命令等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是USB設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)，它提供了設(shè)備接人系統(tǒng)時(shí)要用到的引導(dǎo)文件、設(shè)備信息文件等。

2.1 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

系統(tǒng)應(yīng)用中CH375提供了設(shè)備方式下標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)CH375WDM.INF和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) CH375DL L.DLL，通過(guò)加載驅(qū)動(dòng)信息可以在應(yīng)用程序中直接調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。CH375在計(jì)算機(jī)端提供應(yīng)用層接口。應(yīng)用層接口是由CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供的面向功能應(yīng)用的API，所有API在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的API包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸 API、中斷處理API。

設(shè)計(jì)中采用C語(yǔ)言作為計(jì)算機(jī)端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)，首先需要將CH375的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、驅(qū)動(dòng)程序添加到到編譯環(huán)境中。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的使用，簡(jiǎn)化了USB設(shè)備開發(fā)的步驟，降低了開發(fā)難度，為系統(tǒng)調(diào)試節(jié)省了時(shí)間。

2.2 應(yīng)用程序與設(shè)備間的通信

通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，CH375在與M30627FJPGP之間提供了端對(duì)端的連接。應(yīng)用程序與設(shè)備固件間的通信采用請(qǐng)求加應(yīng)答方式，該通信方式具有較好的交互性和可控性。請(qǐng)求加應(yīng)答方式使用一個(gè)下傳的主動(dòng)請(qǐng)求和一個(gè)上傳的被動(dòng)應(yīng)答進(jìn)行交互式的雙向數(shù)據(jù)通信，下傳與上傳一一對(duì)應(yīng)，相互關(guān)聯(lián)。所有的通信都由客戶應(yīng)用程序發(fā)起，然后以接收到M30627FJPGP的應(yīng)答結(jié)束。

2.3 固件程序設(shè)計(jì)

CH375與M30627FJPGP之間設(shè)計(jì)成完全的中斷驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)處理前臺(tái)任務(wù)時(shí)，USB的傳輸可在后臺(tái)進(jìn)行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)，同時(shí)簡(jiǎn)化了編程和調(diào)試。

后臺(tái)ISR(中斷服務(wù)程序)和前臺(tái)主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換可以通過(guò)事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)完成，其實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

應(yīng)用中的單片機(jī)讀寫U盤軟件可分成兩大部分：應(yīng)用程序和固件程序。應(yīng)用程序完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理任務(wù)、外圍控制等功能，固件程序處理底層的USB 通信協(xié)議、文件系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)在USB總線上的可靠傳輸和在U盤上的存取操作。為方便在不同控制器或應(yīng)用系統(tǒng)上進(jìn)行移植，固件采取積木式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

2.4 USB讀寫操作

USB讀寫操作可根據(jù)不同的系統(tǒng)要求設(shè)定執(zhí)行程序。在PCR儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，M30627FJPGP將通過(guò)-A/D通道采集到的數(shù)據(jù)向U盤內(nèi)指定的文件： ADC_DATA.TXT追加數(shù)據(jù)。開機(jī)后，單片機(jī)向CH375寫入配置字，設(shè)定其進(jìn)入主控(Host)模式，進(jìn)人數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，等待USB總線事件發(fā)生。U盤追加數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

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