摘要 利用usb主控制器控制u盘作为数据采集系统的移动存储器。该设计基于usb主/从控制芯片ch375s，遵守大容量存储设备类规范中的bulkonly和ufi子规范，支持fat16文件系统，实现了数据采集系统中可用u盘进行数据存储，方便与计算机交互；配合液晶和外扩键盘，可以完全抛开pc，实现采集数据的实时显示和指定存储区域内数据的查看。
关键词 ch375s usb-host 数据采集系统 mass-storage类 fat16 文件系统
引言
随着移动数据存储领域的日益扩大，在嵌入式系统中实现usb主机功能，以实现利用usb存储设备进行数据存储的需求变得日益迫切。u盘作为新型移动存储设备，以体积小、速度高、抗震动、通用性强的特点倍受青睐，因此，在数据采集系统中开发出嵌入式usb主机控制u盘作为数据存储器，将具有良好的实用价值和应用前景。
1 usb大容量存储设备协议分析
基于usb的大容量数据采集系统的设计，主要是要实现嵌入式usbhost。要想设计出能直接读写u盘的嵌入式usbhost，就必须理解usb大容量存储设备协议。目前usb大容量存储设备软件结构如图1所示。
500)this.width=500" border=0>
图1 usb大容量存储设备软件结构示意图
图1中，虚线左边部分是主机的驱动程序结构，也是嵌入式usbhost所要实现的。左边最顶层是fat文件系统层api ，用于提供给用户访问存储设备的方法。u盘中的数据都是以文件格式存储的，fat16因具有高度兼容性而被广泛应用于移动存储设备中。这里简要分析一下fat16文件系统结构和存储空间的组织原则。
（1） fat16文件系统结构
fat格式的磁盘大致可以分5个部分：mbr区、dbr区、fat区、fdt区和data区。
mbr区： 又称主引导记录，其后为64字节的dpt（disk partition table，磁盘分区表）。由于不需要从u盘启动，且u盘就一个分区，所以u盘上没有这个数据区。
dbr区： 即操作系统引导记录区，通常占用分区的第0扇区，共512字节，由跳转指令、bpb、结束标志几部分组成。
fat 区： 存放文件分配表。文件分配表是一一对应于数据区簇号的列表,反映了所有簇的使用情况。每个表项单元的大小决定了fat的类型,比如fat16的表项单元为16位。fat表一般都有一个备份。
fdt区： 存放着文件目录表,位于备份fat表之后。fdt由32位的目录项线性构成,记录着根目录下每个文件（子目录）的起始单元、属性等。fdt大小为32个扇区，最多可以保存512个目录项。
data区： 是真正意义上的数据存储的地方，位于fdt之后,占据硬盘上的大部分数据空间。
（2） fat16的存储空间组织原则
当磁盘空间格式化为fat分区时，fat文件系统就将这个分区当成整块可分配的区域进行规划，以便数据的存储。fat将磁盘空间以一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位称为簇。通常情况下,每扇区512字节的原则是不变的。簇的大小一般是2n(n为整数)个扇区的大小（每个簇的最大存储空间为32 kb）。一般采用逻辑块lba（logical block addressing）寻址方式。
图1虚线左边中间的ufi/ata驱动层将应用程序的访问转换成ufi或ata命令/数据格式，与外部存储设备之间按照子规范ufi或ata的定义进行命令/状态/数据的交换；最底层则是usb传输驱动，负责将上层的ufi/ata数据发送到usb总线上以及接收从存储设备返回的状态/数据。cbi/bulkonly/ata/ufi是usb mass storage类规范中4个独立的子类规范的简称。前两个子规范定义了数据/命令/状态在usb上的传输方法。bulkonly传输规范仅使用bulk端点传送数据/命令/状态，cbi传输规范则使用control/bulk/interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ata命令规范用于硬盘，ufi命令规范是针对usb移动存储而制定的。
2 嵌入式usb-host设计
2.1 硬件设计
系统采用增强型8051内核的单片机stc89c516rd+作为中央处理芯片，选用南京沁恒电子公司的ch375s作为usb主机控制芯片。
stc89c516rd+具有64 kb的flash程序存储器，1 280字节的ram（256字节的内部ram和1 kb的外部ram），支持在系统/在应用可编程(isp，iap)；ch375s是一款符合usb1.1协议规范的usb总线的通用接口芯片，支持usbhost主机方式和usbdevice/slave设备方式。ch375s具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，因此ch375s作全速usbhost 主机接口时，外围元器件只需要晶振和电容,就可以方便地挂接到单片机/dsp/mcu/mpu等控制器的系统总线上。考虑到读/写u盘或移动硬盘时一般都是以扇区模式进行的，所以要加磁盘数据缓冲区和文件数据缓冲区（都是512字节的整数倍），并且缓冲区越大，执行的效率越高，所以外扩了32 kb的ram。
usb-host电路如图2所示。
<
