引 言

本文來源于一機(jī)車智能測(cè)溫項(xiàng)目（功能模塊如圖1所示）。在列車或其他重要電工場(chǎng)合，重要部件的溫度變化是極需重視的安全參數(shù)，必須為其設(shè)計(jì)智能溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí)，不但要能及時(shí)報(bào)警，還要實(shí)時(shí)記錄并保存精確的時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)。通過對(duì)危險(xiǎn)時(shí)刻及該時(shí)刻對(duì)應(yīng)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以檢出不安全因素發(fā)生的規(guī)律，以制定有效的預(yù)防措施。

在圖1中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用USB總線接口方式，主要是由于USB具有可“熱插拔”的特性，使保存數(shù)據(jù)的操作更為簡便。采用CH375作USB接口芯片，則是基于以下因素的考慮。

一般情況下，單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)處理USB存儲(chǔ)設(shè)備的文件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)USB-HOST硬件接口數(shù)據(jù)交換層、傳輸協(xié)議層、SCSI／UFI／RBC命令層及文件系統(tǒng)管理4個(gè)層次。CH375的長處在于它內(nèi)置了相關(guān)固件程序，包含了以上提到4個(gè)層次中的前3個(gè)。利用該芯片進(jìn)行USB存儲(chǔ)設(shè)備操作開發(fā)，就只需集中處理FAT文件系統(tǒng)層，大大縮短了開發(fā)的周期，對(duì)項(xiàng)目開發(fā)無疑是很好的選擇。

CH375廠商已將文件系統(tǒng)管理層封包成庫，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)時(shí)這一層可以忽略。然而，由于廠商未對(duì)一般用戶提供此方面源碼，開發(fā)過程中也帶來了一些問題，例如：由于沒有文件管理的C源碼，進(jìn)行程序調(diào)試就只能查看編譯后的匯編代碼，導(dǎo)致調(diào)試工作繁復(fù)，收效甚微；其次，盡管編譯器已經(jīng)作了優(yōu)化，但編譯后所占的系統(tǒng)資源仍遠(yuǎn)比用戶自編文件管理子程序的大，這對(duì)資源極其有限的單片機(jī)非常不利；再次，由于開發(fā)平臺(tái)不盡相同，芯片廠商提供的庫子程序并不總有效，例如系統(tǒng)選用不同晶振時(shí)，庫函數(shù)中的內(nèi)嵌延時(shí)段的實(shí)現(xiàn)效果也會(huì)發(fā)生變化，往往造成USB設(shè)備與主機(jī)失去同步，這對(duì)于AVR等高檔單片機(jī)更是如此。

由此可見，利用CH375操作USB存儲(chǔ)設(shè)備，開發(fā)者很有必要熟悉FAT文件系統(tǒng)的格式。下文將從項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)際出發(fā)，著重介紹進(jìn)行文件管理的原理及編程步驟，以解決上文提及的困難。

1、 USB總線接口的設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，CH375芯片的TXD引腳接地，從而使其工作于并口模式。CH375芯片的8位雙向數(shù)據(jù)總線直接與MCU數(shù)據(jù)口相連，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。片選信號(hào)CS#、中斷引腳INT#以及地址輸入線A0分別與MCU任意分配的引腳相連。當(dāng)CS#為低電平時(shí)，選通CH375芯片；CH375向MCU請(qǐng)求中斷時(shí)，將INT#引腳電平拉低；當(dāng)A0引腳為高電平時(shí)，選擇CH375的命令端口，可以寫入命令，為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)要求當(dāng)普通U盤接入時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)在其根目錄下創(chuàng)建名為“DATA.TXT”的文件，將MCU內(nèi)置RAM已記錄的溫度、時(shí)刻數(shù)據(jù)以字符串格式寫入該文件；若文件已存在，則將數(shù)據(jù)追加至文件末尾；最后返回主程序。軟件按圖3所示流程進(jìn)行設(shè)計(jì)， 電路上電后，先測(cè)試芯片是否能對(duì)單片機(jī)輸出指令正確做出反應(yīng)，必要時(shí)進(jìn)行硬件復(fù)位，接著將芯片工作模式設(shè)置為模式6，即自動(dòng)發(fā)送SOF包的主機(jī)模式，這樣，CH375與單片機(jī)就構(gòu)成了最基本的USB-HOST，當(dāng)USB設(shè)備接人時(shí)，接收到該包，就會(huì)讓該包通過。CH375檢測(cè)到設(shè)備連接上后會(huì)向MCU發(fā)中斷信號(hào)，接著以查詢CH375中斷狀態(tài)的方式等待U盤插入，若檢測(cè)到表征設(shè)備接入的中斷狀態(tài)，則表明U盤已連接。接著向CH375輸出CMD_DISK_INIT，該命令將復(fù)位USB總線、讀取并分析設(shè)備的描述符，然后自動(dòng)配置，并建立起與設(shè)備之間的連接，完成后返回中斷狀態(tài)USB_INT_SUCCESS。上述步驟執(zhí)行之后，芯片初始化的工作就完成了。

接著編寫扇區(qū)讀寫程序。對(duì)于存儲(chǔ)設(shè)備來說，文件管理幾乎都是“塊操作”方式，即使只修改存儲(chǔ)設(shè)備中一比特的數(shù)據(jù)，也必須將包含該比特的整個(gè)扇區(qū)讀出，找到相應(yīng)位置進(jìn)行修改，再把修改好的扇區(qū)數(shù)據(jù)寫回原位置。對(duì)于大多數(shù)USB接口芯片，讀寫扇區(qū)的階段要求我們熟悉SCSI或UFO協(xié)議指令，利用特定指令來完成操作。而CH375內(nèi)嵌了支持此方面指令的固件，當(dāng)讀扇區(qū)時(shí)，發(fā)CMD_DISK_READ，與CMD_DISK_RD_GO配合使用，則可在USB存儲(chǔ)設(shè)備中任意讀取1至255個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)；只需將CMD_DISK_WRITE與CMD_DISK_WR_GO指令結(jié)合使用，則可在U盤中任意寫入1至255個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)。

進(jìn)行文件讀寫前，必須完成以下工作：

根據(jù)DOS文件管理系統(tǒng)格式，聲明必要的結(jié)構(gòu)體，用于增強(qiáng)程序的跨平臺(tái)可操作性及可讀性。需要定義的結(jié)構(gòu)體為DPT（DOS分區(qū)表）、MBR（主引導(dǎo)記錄）、BPB16（BIOS參數(shù)塊，僅適合于FAT12及FAT16）、BPB32（僅適合于FAT32）、FDT（文件目錄表）、LFDT（長文件名FDT）等。除DPT、MBR外，其它結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容在FAT硬件白皮書中均有專門表格詳細(xì)說明。

聲明并初始化必要的全局變量。首先必須讀取首個(gè)物理扇區(qū)，即MBR扇區(qū)，取得DBR的相對(duì)起始地址，然后讀取DBR的內(nèi)容。有些U盤沒有MBR，首個(gè)物理扇區(qū)就是DBR區(qū)，因此必須進(jìn)行判斷：若扇區(qū)首字節(jié)為0xeb或0xe9，則為DBR區(qū)，否則為MBR區(qū)。其次設(shè)置重要變量，并計(jì)算DOS各分區(qū)的起始LBA值。需要處理的變量按先后順序如下：每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、每簇扇區(qū)數(shù)、FAT表起始地址、單FAT表扇區(qū)數(shù)、根目錄區(qū)扇區(qū)數(shù)（FAT32為0）、數(shù)據(jù)區(qū)起始地址、數(shù)據(jù)區(qū)總簇?cái)?shù)、FAT類型及根目錄的起始地址等。FAT類型按如下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，如果數(shù)據(jù)區(qū)總簇?cái)?shù)少于4085，則為FAT12類型；否則，若少于65525，則為FAT16；大于或等于65535為FAT32。

定義大小端模式轉(zhuǎn)換程序。單片機(jī)對(duì)于字或雙字?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)多采用大端模式，而絕大多數(shù)PC機(jī)為小端模式。U盤中的文件管理由于要兼容PC機(jī)，存儲(chǔ)格式幾乎均為小端格式。因此進(jìn)行U盤數(shù)據(jù)操作時(shí)，如果讀寫字或雙字?jǐn)?shù)據(jù)，則必須進(jìn)行大小端模式轉(zhuǎn)換。

FAT表基本操作，包括查找空簇、讀寫指定簇內(nèi)容。可編寫子函數(shù)來解決查找空簇的問題，設(shè)計(jì)思路為讀取FAT表特定扇區(qū)，然后按FAT類型不同分情況討論。從第2簇開始，將代表特定簇的單元逐個(gè)與0比較，若不為0，則偏移地址作相應(yīng)移動(dòng)，例如FAT16每次移動(dòng)2字節(jié)，而FAT32為4字節(jié)；至于FAT12，由于每12比特表征一簇，必須考慮FAT扇區(qū)的“邊界問題”（如圖4所示），需判斷簇的奇偶性、設(shè)置邊界校驗(yàn)標(biāo)志，以解決邊界問題。對(duì)給定簇號(hào)以讀寫FAT表對(duì)應(yīng)單元的問題，也可編寫子函數(shù)進(jìn)行解決，該函數(shù)需要指定簇號(hào)、待寫內(nèi)容，還要給定輸出指針變量。執(zhí)行時(shí)根據(jù)簇號(hào)計(jì)算指定簇號(hào)所在扇區(qū)地址，將其讀出，然后另存指定簇的內(nèi)容，寫入新內(nèi)容，最后將修改后的扇區(qū)數(shù)據(jù)重新寫入U(xiǎn)盤原位置。為了使程序精簡，還可將讀指定簇內(nèi)容的子程序與該函數(shù)并成單個(gè)子函數(shù)，考慮到待寫內(nèi)容即使在FAT32下，其有效值也不會(huì)超過0x0fffffff，因此編寫程序時(shí)，可以均將其定義為雙字類型，然后設(shè)定某值，例如0xf0000000，若待寫內(nèi)容為此值時(shí)，則不寫入該簇內(nèi)容，這樣就保證了對(duì)FAT表只讀不寫。

最后，對(duì)FDT表進(jìn)行基本操作及文件的創(chuàng)建、讀寫。根據(jù)文件系統(tǒng)有無根目錄區(qū)，分情況讀取FDT特定扇區(qū)。分析扇區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，如果待查看文件與待寫入文件重名，則要讀出文件首簇號(hào)及大小，到FAT表找到文件末簇，接著根據(jù)文件大小，判斷待添加內(nèi)容在簇中哪個(gè)扇區(qū)、扇區(qū)的哪個(gè)位置，讀出并修改該扇區(qū)內(nèi)容，然后重新寫入，最后修改文件大小。

2 、C語言移植

由于C語言具有良好的可移植性，編寫文件管理程序，推薦在PC機(jī)上先實(shí)現(xiàn)，再移植至單片機(jī)平臺(tái)。在PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，硬件上只要求PC機(jī)有USB口；而軟件方面，PC機(jī)編程具有以下特點(diǎn)：（1）讀寫扇區(qū)有專用函數(shù)；（2）要使用偽指令#pragma pack（1），使編譯后的結(jié)構(gòu)體字節(jié)對(duì)齊；（3）讀寫字或雙字?jǐn)?shù)據(jù)不必進(jìn)行大小端模式的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于讀寫扇區(qū)，主要有以下兩種方案：

其一，調(diào)用Windows API函數(shù)進(jìn)行基本扇區(qū)讀寫。開發(fā)工具Dev—c++，包含頭文件windows.h。方法是調(diào)用CreateFile（ ）打開設(shè)備端口；接著用SetFilePointer（ ）調(diào)整字節(jié)位置；最后用ReadFile（ ）或WriteFile（ ）進(jìn)行扇區(qū)讀寫。

其二，調(diào)用DOS函數(shù)進(jìn)行扇區(qū)讀寫。有兩組函數(shù)供調(diào)用：（1）biosdisk（ ），功能是使用中斷0x13，直接調(diào)用BIOS進(jìn)行磁盤操作；（2）absread（ ）及abswrite（ ），可讀寫U盤的邏輯扇區(qū)，調(diào)用前須確定存儲(chǔ)設(shè)備盤符，需指定待操作的邏輯扇區(qū)號(hào)。

在PC機(jī)上編寫文件管理程序，無需外接硬件，操作簡易；軟件調(diào)試通過之后，代碼可高效移植至單片機(jī)平臺(tái)，極大提高了項(xiàng)目的開發(fā)效率。

3、 結(jié)果比較

項(xiàng)目中本部分程序篇幅670行，文件管理層自編程序進(jìn)行調(diào)試，在型號(hào)ATMega64的AVR單片機(jī)平臺(tái)上測(cè)試通過。表1為采用ICCAVR編譯后資源占用情況的對(duì)比，可見自編代碼占用資源僅占后者的70％，遠(yuǎn)勝于后者。至于執(zhí)行單步調(diào)試、修改延時(shí)等方面，其直觀靈活性更明顯。

4 、結(jié)束語

在所涉及項(xiàng)目中，通過自編文件管理操作代碼，使程序更為優(yōu)化，極大減小了主系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。按此方法設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)記錄危險(xiǎn)時(shí)刻的溫度、時(shí)間數(shù)據(jù)，操作者只需往USB接口插入存儲(chǔ)設(shè)備，系統(tǒng)即將數(shù)據(jù)以文本寫入設(shè)備，簡單實(shí)用，易于推廣。通過分析讀取到的數(shù)據(jù)，對(duì)確定電力部件發(fā)熱狀況、找出危險(xiǎn)因素并進(jìn)行預(yù)防，均有實(shí)用價(jià)值。

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