远程终端设备（RTU）USB模块的开发设计

     引言

　　在以往设计的远程终端设备RTU(Remote Terminal Unit)中，经常需要批量提取、转存数据，或是更新设备中的程序，或是对设备进行维修，由于设备上只有串口而没有USB接口。要想维修必须将设备带回来，但是RTU一般都是安装在野外或者是离维修站特别远的地方，这就给设备的维修、程序更新以及数据的提取、转存带来了极大的不便。现在我们设计开发的USB模块就可以轻松解决以上问题。

　　1、系统硬件设计

　　1.1 CH375概述

　　CH375(见图1)是USB总线的HOST主机及DEVICE设备双用接口芯片，单片机可以通过CH375读写U盘中的数据，利用该芯片可在不了解任何USB协议或固件程序甚至驱动程序的情况下，轻松地将并口或串口产品升级到USB接口。

图1 CH375及外围电路

　　CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass—Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备。

　　1.2 系统硬件描述

　　硬件连接原理图见图2。CH375通过数据线D0一D7连接ATMEGA32(见图3)数据I／O口，用于传输字数据。图2中，INT#为中断信号线，用于ATMEGA32接收来自CH375的中断信号；CS#为ATMEGA32对CH375芯片的片选信号线，一般接入主机端的地址线；RD#、WR#为ATMEGA32对CH375的读选通、写选通控制信号，与ATMEGA32端的RD#、WR#相连，这三个控制信号都是低电平有效；A0连接ATMEGA32的地址线，以区分传输的是命令还是数据，为1时表示是命令。为0时表示是数据；D+、D一为USB总线的差分信号线，用于CH375与USB设备的数据传输。CH375芯片的ACT#引脚用于内置固件的USB设备方式下的状态指示，本设计中通过lkl2电阻接红色二极管，在内置固件的USB设备方式下，当USB设备尚未配置或者取消配置后该引脚输出高电平，当USB设备配置完成后该引脚输出低电平。本设计中，将CH375的TXD引脚通过lkl2左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使CH375工作于并口方式。CH375芯片的UD+和UD一引脚是USB信号线，工作于USB设备方式时，应该直接连接到USB总线上；工作于USB主机方式时，可以直接连接到USB设备。

图2 CH375硬件连接原理图

图3 ATMEGA32引脚图

　　2、软件设计

　　软件流程图见图4。

图4 软件流程图

　　2.1 底层驱动的实现

　　USB系统驱动程序的设计是基于wDM(Windows Driver Model，驱动程序模型)的。由于CH375已经对固件程序进行了封装，包含了对海量存储设备通讯协议的处理，所以这～层就不需要考虑底层驱动的实现了。

　　对于常用的读写U盘操作，以按字节方式，可定义实现以下两个读写U盘内容的API函数。unsigned char CH375-ReadUD(unsigned char xdata+pData，longLbaNo．uint BytesLen) unsigned char CH375一WriteUD(unsigned char xdata。pData．10ng LbaNo，uint BytesLen)

　　个函数表示从4个字节表示的U盘I．baNo地址开始读取Bytesl，en长度的字节到pData所指的缓冲区中；第二个函数表示将pData所指的外RAM单元内容读取BytesI。en字节长度并写入到U盘以LbaNo开始的地址中去。

　　2.2 文件系统的实现

　　由于很多系统终会与Windows操作系统的个人计算机交换数据，所以为了方便数据交换，U盘中的数据应该符合Windows文件系统格式。CH375提供了U盘文件级子程序库，单片机可以直接调用子程序读写U盘中的文件数据。ATMEGA32可通过CH375按字节或扇区等方式读写U盘，这种方式将USB存储设备简化为一种外部数据存储器，这时写入U盘的数据不能直接用计算机读取，需要专门的工具才能查看。

　　为了使U盘的数据能够被计算机识别和操作，需要将写入的数据组织成文件，U盘通常支持的文件格式为FATl2／16／3z，考虑到U盘的容量，常用的文件系统是FATl6。

　　2.3 端口初始化

　　由于使用通用I／0模块并口读写时序，所以需要初始化端口。设置PA7～PAO的8位作为数据并口输入，设置CS、WR、RD默认为输出高电平，设置INT#为输入，采用查询方式处理。端口初始化程序如下：

　　void CH375_PORT～INlT()

　　{DDRA=0x00；

　　PORTD=0xF3；

　　DDRD=0x7A；

　　)

　　2.4 CH375芯片初始化

　　初始化CH375程序库和CH375芯片，操作成功返回0。初始化程序如下：

　　void CH375-INIT(void)

　　{UINT8i；

　　CH375一PORT—INIT()：

　　mDelaymS(100)；／*延时100毫秒*／

　　i=CH375Liblnit()I

　　mStopIfError(i)；

　　}

　　2.5 定义文件操作

　　根据FATl6系统的磁盘特性。定义所需要的各种操作函数，提供给外部调用以实现对文件的各种操作。下面对几个常用的操作函数的定义方法加以说明。

　　(1) 打开文件或目录程序如下：

　　void FILEOpen(UINT8’pCodeStr)

　　{ UINT8i；

　　strcpy((char*)mCmdParam．Create．mPathName。(char

　　*)pCodeStr)；

　　i=CH375FileOpen()l

　　mStopIfError(i)；

　　)

　　(2) 创建文件程序如下：

　　void FII．ECreate(UINT8’pCodeStr)

　　{ UINT8 i；

　　strcpy((char*)mCmdParam．Create．mPathName．(char

　　*)pCodeStr)：

　　i=CH375FileCreate()；

　　mStopIfError(i)；

　　)

　　(3) 删除文件程序如下：

　　void FILEDelete(UINT8’pCodeStr)

　　{ UINT8i；

　　strcpy((char*)mCmdParam．Create．mPathName．(char

　　*)pCodeStr)l

　　i=CH375FileErase()；

　　if(i!=ERR-SUCCESS)；

　　)

　　(4) 本文以字节为单位写U盘文件，读写速度较扇区模式慢，但是由于字节模式读写文件不需要文件数据缓冲区FII。E—DATA—BUF，所以总共只需要600字节的RAM，适用于单片机硬件资源有限、数据量小并且读写速度要求不高的系统，写U盘文件程序如下：

　　void FILEWrite(UINT8’pDataStr．UINT8 FILENUM．UINT32

　　SectorOff)

　　{ UINT8 i。C；

　　unsigned mt k,1"11 l

　　mCmdParam．Locate．mSectorOffset=SectorOff；／*移动文件指针*}

　　i=CH375FileLocate()；

　　mStoplfError(i)；

　　for(k=FILENUM；k>0；k-一)

　　{ for(m=0；m<512；)

　　{e=”pDataStr}

　　FILE—DATA～BUFEm++]=C；

　　pDataStr++；

　　}

　　mCmdParam．Write．mSectorCount=l；

　　i=CH375FileWrite()；／*写人数据*／

　　mStoplfError(i)；

　　mCmdParam．Write．mSector(：ount=0：

　　i=CH375FileWrite()I／*写入数据*／

　　mStoplfError(i)；

　　}

　　cH375Di rtyBuffer()；／*清磁盘缓冲*／

　　)

　　程序中pDataStr是写入数据的首地址，FII。ENUM是写入扇区的个数，Sector()ff是写入文件的位置，CH375子程序库内部是将文件长度按扇区长度512进行取整处理，当移到文件尾部，如果文件尾部有不足一个扇区的零头数据则被忽略，如果不做处理那么零头数据将可能被写入数据覆盖。

　　读文件与写文件的过程类似。这里用到CMD—DISK—RD—GO命令，限于篇幅在这里不将源代码列出。

　　3、总结

　　USB-HOST模块用于远程终端设备中，该模块在实际数据采集中运行时，读写文件与设想基本一致。符合移动数据交换的设计要求。由于基于CH375的U盘渎写模块只支持USB1.1通讯协议，该模块只能在USB1.1协议下进行数据交换。该设计现已被用于远程终端设备上，利用该模块，设备可以直接和USB存储设备相连进行数据的转存和程序的更新，从而很大程度上方便了用户。