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0 引言

    USB（通用串行總線），是近年來逐步在PC領域廣為應用的新型接口技術，廣泛地應用于PC機以及嵌入式系統上。目前市場上的USB設備， 除計算機是主機接口外，其他多數為從機接口, 如打印機、U 盤等，然而USB 的拓撲結構中居于核心地位的是Host (也稱為主機) , 任何一次USB的數據傳輸都必須由主機來發起和控制，DEVICE (從機或設備) 只能響應主機的請求，任何2個外設之間或是2個主機之間無法直接通信。隨著USB應用領域的逐漸擴大，人們對于USB的期望也越來越高，希望USB能應用在沒有PC的領域中，基于USB HOST的開發應用也越來越廣泛。筆者考慮到傳統的環境監測儀多利用RS485實現與PC主機的有線遠程數據傳輸，使得監測儀的工作場合和便攜性受到相當大的限制，在本文中提出一種新型環境參數監測儀，它配置兩路音頻和溫度傳感器，以USB HOST系統為核心，以U盤為數據存儲媒介，不受場合限制隨時隨地實現環境參數（環境噪音響度，溫度）的采集、處理、存儲和通信等功能；更有助于準確地建立環境參數的演變數據庫，為環境的監控和整改提供客觀依據；便于攜帶，成本低廉，有較強的市場前景。

1 環境監測儀的設計

    1.1 系統概述

    環境監測儀對環境參數的處理可分為信號采集和數據處理兩部分,與此相對應,環境監測儀主要由環境參數采集電路和USB主機兩個部分組成。整體結構框圖見圖1：

圖 1  整體結構框圖

          
    1.2 環境參數采集電路設計

    以DS18B20單線數字溫度傳感器，MCA-BTA聲音傳感器加上高速A/D構成了系統的環境參數采集電路。

    DS18B20數字溫度計是DALLAS公司生產的1－Wire，即單總線器件，線路簡單（三個引腳GND，DQ：數字信號輸入輸出端，VDD），體積小；只要求一個端口即可實現通信；不需要外部任何元器件即可實現測溫，范圍在－55℃到＋125℃之間；可以通過寄生電源或者外部電源兩種供電方式工作。因此完全符合便利地對現場溫度測量的要求。需要注意的是，在寄生電源接線模式下，必須確保電源電壓汲取能量充足，否則會導致測量溫度偏高，誤差量較大。

    MCA-MTA聲音傳感器由美國Vernier公司生產，使用的是與人類耳朵相似具有頻率反應的電麥克風。它的工作原理為：聲壓訊號→傳感器→電壓訊號→放大器→計權網絡dB值。  

    為增加檢測信息的實用性,USB主機系統設計中加了一個日歷時鐘模塊：DS 12C887。DS 12C887 能夠自動產生世紀、年、月、日、時、分、秒等時間信息； 具有標準的并行總線口, 可以方便與單片機連接。

    1.3 嵌入式USB主機硬件結構設計

    1.3.1 硬件要求

    USB主機是本監測儀開發中的重點和核心。設計嵌入式USB主機電路要遵循USB主機的協議規范，具體在硬件設計上要選擇USB主機的接口芯片，并且要選用合適的MCU（單片機或微控制器）或MPU（微處理器）來控制。因為整個USB協議框架非常復雜，所以就需要MCU具有較大的內部RAM，用以處理大量的數據緩沖區，變量，數據存儲等等；其次系統要有大量的程序存儲區，一般FLASH的需求大概是在10K至60K。

    1.3.2 CH375簡介

    CH375是一個USB總線的通用接口芯片,支持HOST主機方式和SLAVE 設備方式。CH375的USB主機方式支持各種常用的USB全速設備,外部單片機/DSP/MCU可以通過CH375按照相應的USB 協議與USB 設備通訊。CH375還內置了處理Mass Storage海量存儲設備的專用通訊協議的固件,外部單片機/DSP/MCU可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB 存儲設備(包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤)。
CH375芯片內部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數據緩沖區、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸的協議處理器、通用的固件程序等。對于USB存儲設備的應用，CH375直接提供了數據塊的讀寫接口，以512b的物理扇區為基本讀寫單位，從而將USB存儲設備簡化為一種外部數據存儲器，單片機可以自由讀寫USB存儲設備中的數據，也可以自由定義其數據結構。

    1.3.3 CPU的選擇

    CH375的文件級子程序庫（實現FAT文件系統層，詳細請見軟件設計）需要大約600字節的隨機存儲器RAM作為緩沖區。鑒于采用MCS51內核, 且與AT89C52兼容的SM 5964單片機內部嵌有64KB的flash和1KB的SRAM,為USB主機協議的實現提供了足夠的代碼空間和數據存儲區，無須擴展外部RAM，簡化了硬件層面的設計，而且抗干擾能力較強，溫度范圍寬，在目前市場上性價比較高，嵌入式USB主機CPU采用SM 5964。

    1.3.4 連接電路

    CH375工作于主機模式時，分為串行方式與并行方式兩種。我們這里采用串行方式，這種的連線相對比較簡單。如果CH375芯片的TXD引腳懸空(待接單片機)或者沒有通過下拉電阻接地，那么CH375工作于串口方式。在串口方式下，CH375只需要與單片機/DSP/MCU連接3個信號線，TXD引腳、RXD引腳以及INT#引腳，其它引腳都可以懸空，就可以進行較遠距離的點對點連接。CH375芯片的RXD 和TXD分別連接到單片機的串行數據輸出引腳和串行數據輸入引腳。INT#輸出的中斷請求是低電平有效，用于通知單片機（見圖2）。

    CH375 的串行數據格式是1個起始位、9個數據位、1個停止位，其中前8個數據位是一個字節數據，最后1個數據位是命令標志位。第9位為0時，前8位的數據被寫入CH375芯片中，第9位為1時，前8位被作為命令碼寫入CH375芯片中。CH375的串行通訊波特率默認是 9600 bps，單片機可以隨時通過SET_BAUDRATE 命令選擇合適的通訊波特率。

圖 2 串口方式下CH375與單片機連接示意圖

  
    1.4 嵌入式USB主機的軟件設計

    嵌入式USB主機主要實現USB設備的熱插拔檢測、設備重啟、讀取設備的各種描述符等USB1.1協議規范, 并實現USB Mass Storage 類。Mass Storage 類主要用于為軟磁盤接口、ATA接口、硬盤接口及FLASH存儲器等設備建立的USB接口。
在USB主機方式下，CH375支持各種常用的USB全速設備，以中斷方式通知外部單片機（SM5964）進行處理，中斷邏輯圖如圖3。單片機需要編寫固件程序按照相應的USB協議與USB設備通訊。

圖 3   主機方式下CH375中斷邏輯圖

    
    單片機處理USB存儲設備的文件系統需要實現圖3左邊的4個層次，右邊是USB存儲設備的內部結構層次。CH375不僅是一個通用的USB-HOST硬件接口芯片，還內置了相關的固件程序，包含了圖4左邊的3個層次（深色），所以實際的單片機程序主要處理FAT文件系統層。

圖 4 處理USB存儲設備文件系統示意圖

    在上圖中的SCSI，UFI，RBC都是Mass Storage類的子類，都有自己的協議，應用于不盡相同的設備。他們通過命令的形式實現各種功能，而這些命令都是各子類所特有的。在USB進行數據傳輸的時候，這些命令都被打包成一系列的命令包進行傳輸。真正與Mass Storage的傳輸方式相關的是其傳輸協議，在這里為BULK-ONLY傳輸協議。有關Mass Storage類的標準描述符在傳輸協議中實現。

    FAT文件系統層可以由CH375的U盤文件級子程序庫實現。該子程序庫提供了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SM5964單片機程序中。CH375的U盤文件級子程序庫具有以下特性：支持常用的FAT16和FAT32文件系統，磁盤容量可達100GB以上，支持多級子目錄，支持8.3格式的大寫字母文件名，支持文件打開、新建、刪除、讀寫以及搜索等。

    綜上所述，分層次程序段示例如下：

    #define  UINT8     unsigned char
    #define  UINT16    unsigned short
    #define  UINT32    unsigned long
    #define  UINT8X    unsigned char xdata
    #define  UINT8VX   unsigned char volatile xdata
    UINT8VX    CH375_CMD_PORT _at_ 0xBDF1;  /* CH375命令端口的I/O地址 */
    UINT8VX    CH375_DAT_PORT _at_ 0xBCF0;  /* CH375數據端口的I/O地址 */
    #define    CH375_INT_WIRE    INT0       /* P3.2, 連接CH375的INT#引腳,用于查詢中斷狀態 */
    UINT8X     DISK_BUFFER[512*32] _at_ 0x0000;  /* 外部RAM數據緩沖區的起始地址 */
    UINT32  DiskStart;    /* 邏輯盤的起始絕對扇區號LBA */
    UINT8   SecPerClus;   /* 邏輯盤的每簇扇區數 */
    UINT8   RsvdSecCnt;   /* 邏輯盤的保留扇區數 */
    UINT16  FATSz16;      /* FAT16邏輯盤的FAT表占用的扇區數 */
    /* ********** 硬件USB接口層*/
    void  mDelaymS( UINT8 delay ) {
    UINT8  i, j, c;
    for ( i = delay; i != 0; i -- ) {
    for ( j = 200; j != 0; j -- ) c + = 3;
    for ( j = 200; j != 0; j -- ) c + = 3;
    }
    }
    void CH375_WR_CMD_PORT( UINT8 cmd ) {  /* 向CH375的命令端口寫入命令 */
    CH375_CMD_PORT=cmd;
    for ( cmd = 2; cmd != 0; cmd -- );  /* 發出命令碼前后應該各延時2uS */
    }
    void CH375_WR_DAT_PORT( UINT8 dat ) {  /* 向CH375的數據端口寫入數據 */
    CH375_DAT_PORT=dat;          /* 因為單片機較慢所以實際上無需延時 */
    }
    UINT8 CH375_RD_DAT_PORT( void ) {    /* 從CH375的數據端口讀出數據 */
    return( CH375_DAT_PORT );      /* 因為單片機較慢所以實際上無需延時 */
    }
    UINT8 mWaitInterrupt( void ) {  /* 等待CH375中斷并獲取狀態,返回操作狀態 */
    while( CH375_INT_WIRE );  /* 查詢等待CH375操作完成中斷(INT#低電平) */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_GET_STATUS );  /* 產生操作完成中斷,獲取中斷狀態 */
    return( CH375_RD_DAT_PORT( ) );
    }
    /* ********** BulkOnly傳輸協議層,被CH375內置了,無需編寫單片機程序 */
    /* ********** RBC/SCSI命令層,雖然被CH375內置了,但是要寫程序發出命令及收發數據  */
    UINT8  mInitDisk( void ) {  /* 初始化 */
    UINT8 Status;
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_GET_STATUS );  /* 產生操作完成中斷, 獲取中斷狀態 */
    Status = CH375_RD_DAT_PORT( );
    if ( Status == USB_INT_DISCONNECT ) return( Status );  /* USB設備斷開 */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_INIT );  /* 初始化USB存儲器 */
    Status = mWaitInterrupt( );  /* 等待中斷并獲取狀態 */
    if ( Status != USB_INT_SUCCESS ) return( Status );  /* 出現錯誤 */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_SIZE );  /* 獲取USB存儲器的容量 */
    Status = mWaitInterrupt( );  /* 等待中斷并獲取狀態 */
    if ( Status != USB_INT_SUCCESS ) {  /* 出錯重試 */
    mDelaymS( 250 );
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_SIZE );  /* 獲取USB存儲器的容量 */
    Status = mWaitInterrupt( );  /* 等待中斷并獲取狀態 */
    }
    if ( Status != USB_INT_SUCCESS ) return( Status );  /* 出現錯誤 */
    return( 0 );  /* U盤已經成功初始化 */
    }
    UINT8  mReadSector( UINT32 iLbaStart, UINT8 iSectorCount, UINT8X *oDataBuffer )
    {
    UINT16  mBlockCount;
    UINT8  c;
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_READ );  /* 從USB存儲器讀數據塊 */
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)iLbaStart );  /* LBA的最低8位 */
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)( iLbaStart >> 8 ) );
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)( iLbaStart >> 16 ) );
    CH375_WR_DAT_PORT( (UINT8)( iLbaStart >> 24 ) );  /* LBA的最高8位 */
    CH375_WR_DAT_PORT( iSectorCount );  /* 扇區數 */
    for ( mBlockCount = iSectorCount * 8; mBlockCount != 0; mBlockCount -- ) {
    c = mWaitInterrupt( );  /* 等待中斷并獲取狀態 */
    if ( c == USB_INT_DISK_READ ) {  /* 等待中斷并獲取狀態,請求數據讀出 */
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_RD_USB_DATA );  /* 從CH375緩沖區讀取數據塊 */
    c = CH375_RD_DAT_PORT( );  /* 后續數據的長度 */
    while ( c -- ) *oDataBuffer++ = CH375_RD_DAT_PORT( );
    CH375_WR_CMD_PORT( CMD_DISK_RD_GO );  /* 繼續執行USB存儲器的讀操作 */
    }
    else break;  /* 返回錯誤狀態 */
    }
    if ( mBlockCount == 0 ) {
    c = mWaitInterrupt( );  /* 等待中斷并獲取狀態 */
    if ( c== USB_INT_SUCCESS ) return( 0 );  /* 操作成功 */
    }
    return( c );  /* 操作失敗 */
    }
  
    FAT文件系統層的程序量較大，主要包括下列函數： mIdenDisk，識別分析當前邏輯盤；mLinkCluster，獲得指定簇號的鏈接簇，輸入：當前簇號, 返回：原鏈接簇號, 如果為0則說明錯誤；mStopIfError，若錯誤則停止運行并顯示錯誤狀態，等等，在此不予詳述。

2  工作流程

    基于嵌入式USB主機的交通監測儀的工作流程見圖5：

圖 5 工作流程圖

    在實際測試中，將采集到的環境參數以“.txt”方式存儲，目標盤為64M和128M的U盤，成功存入自定的文件“Data.txt”,支持文件續寫和重定義文件名，并可在PC中打開該文件，也可以直接用上層測控軟件進行進一步的處理。

3  結束語

    本系統設計充分體現了便攜，可靠，實用的優點，可為城市環境規劃提供充分的數據參考。隨著進一步的實際應用，仍然有改進的余地，如可以擴展多路傳感器，測量如包括氣壓、二氧化碳濃度等其他環境參數；相應地，提高存儲容量；還可以考慮構建區域服務器以增加效率等等。

參考文獻：

[1] 馬偉 計算機USB系統原理及其主從機設計 北京：北京航空航天大學出版社，2004,94~98

[2] 張慧 USB ON-THE-GO技術及應用 工業控制計算機學報，2005,18,10

[3] 嵌入式USB-HOST解決方案[DB/OL] http://www.broadmaking.com,2002,6