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基于 L PC2 1 32的 U盘软硬件系统设计* ■ 广 东 技 术 师 范 学 院 ■ 广州致远电子有限公司 张 华 俞 小 青 周 立 山 ⋯ 阐述一个基于 ARM7的 U盘设计；详 细描述基于 LPC2132、USB接 口芯片 PDIUSBD12和 Flash ROM 的硬 件 系统设计。软件设计主要 包括 D12驱动、Mass Storage类实现和 Flash存储器的读写控制等。 关键词 LPC2132 USB Mass Storage类协议 U盘 引 言 USB移动存储技术(U盘)把 USB接 口技术与 Flash 存储器技术结合在一起 ，构成了一种快速、大容量、方便的 新型数据交换系统，主要构成有主控制器(MCU)、USB接 口芯片和 Flash存储器。主控制器(MCU)是系统的核心， 负责控制各种外围设备、实现各种算法、协调与主机通信； USB接 口芯片负责 USB通信 ；Flash(闪烁存储器)用来存 储数据，它决定了U盘的容量。 1 硬件系统设计 U盘设计 结构框 图 如图 1所示。使用 Phil— ips公 司的 ARM7l1 芯 片 LPC2132，控制 Philips的 USB1．1接 口芯 片 PDI— USBD12[2]，处 理 PMC公 司 的 128 KB 串 行 Flash存储器作为数据存 储设备实现 U盘。 (1)ARM处理器 USB接 口芯片 PDIUSBD12 Flash存储器 Pm25Lv010 M7控制芯 LPC2132 图 1 系统结构框图 LPC2132是基于一个支持实时仿真和跟踪的 16／32 位 ARM7TDMI—S CPU，并 带有 64 KB嵌 入 的高 速 Flash存储器 。LPC2132的实时仿真和跟踪功能方便了 代码的调试，降低了开发成本。 (2)PDIUSBD12 PDIUSBD12(简称为“D12”)是 一款性 价 比很 高的 USB器件 ；通常用于微控制器 系统 中实现 与微 控制器 进行通信的高速通用并行接 口；支持本地的DMA传输。 *基金项目：智能控制技术在汽车驾驶(疲劳驾驶)监控中的应用研究。 2004年度广东省普通高校自然科学研究项目(编号：o4JOlO)。 PDIUSBD12所具有的低挂起功耗连同 LazyClock输出可 以满足使用 ACPI、OnNOW 和 USB电源管理的。低 功耗可以应用于使用 USB总线供电的外设。 (3)Flash存储器 存储器选用 PMC公司的 Pm25LV010。适合低功耗 和低电压下工作的应用场合；具有完备 的数据保护功能。 通过设置芯片的状态寄存器 ，可以将存储空间的高 1／4、 高 1／2或整片写保护。写使能和写禁止指令进一步保护 数据。另外还提供 WP引脚用于硬件数据保护，以防止对 状态寄存器的意外修改。 U盘电路原理如图 2所示。 2 软件设计 软件设计主要包括 D12驱动 、Mass Storage类协 议和 Flash存储器的读／写控制。 2．1 D12驱动的实现 在 USB设备插入主机之前，主机对这个 USB设备的 情况一无所知 ，无法建立起通信；但 USB协议规定了一些 最基本的准则 ，如每个设备的端点 0都是可用的，属于控 制端点。有了这个基本的沟通途径，主机就开始通过端点 0向设备提出～些问题，这些问题是有关设备基本情况 的。这些基本情况 可以反映 USB设备所属的类别及 子 类 ，反映配置情况、接 口情况和端点情况；一旦得知了这些 信息，主机就大体了解了这个设备是个什么样 的设备，按 照 USB协议 中的相应规定，就逐步建立起 了一条介于设 备之间的高速数据通道，用于数据的传输。主机向设备提 出的这些问题实际上就是 USB协议中规定的各种请 求 ，设备必须对这些问题进行 回答 ；而回答 的方式就是向 主机传送相应的描述符，即设备描述符 、配置描述符、接口 描述符、端点描述符。 ⋯ 一 ⋯ 一 ⋯ 一 ， ± m 、 ⋯ ⋯ ⋯ l1^ ～ ～ 53 维普资讯 http://www.cqvip.com P0．21 W M CAP1．3 P0娩 |c 0 0 RTXC1 P1．1 9，TRACEPKT3 RIXC2 Vss V3a P1．18，IRACEPKT2 P0．25／AD0 4／Aout P0．26，AD0．5 P0．27，AD0．0／CAP0．1 1 P1．17厂I|RACEPKT1 P0．28 删 ．1／CAP0．2， tAT0．2 P0 | O c 3 0．3 P0_3O D03删 T3／CAP0 0 P1．16／TRACEPKT0 一 喜 奏l藿 器 山 > 山 山 ； P1．2o，TRACESYNc Po．1 7，CAP1．2，SC_K1 lAT1．2 P0．1 6，ED盯 0，h【AT0．2／CAP0．2 P0．15瓜 I1 n盯 2 P1．21 IPEST煳 V3 Vss P0．1仰 cD1庄：【 r1 P1．22 ESTA1’1 P0．13仍 IR 1， 【AT1．1 po．12力)SR1，htAT1．0 N P0．I1／l：TS1，cAPI_1 P1．23／P ESTAT2 帛 PO．10／RTS1／CAP1．0 q P0．9瓜xD1／PwM鲫3Ⅱ盯3 P0．8／'I"xD1／PW M 4 窘 一 q 昌 苣 q 0 0 一 山 山 山 Rgr—USB 堡 sB AD7 Vdd33 30pF Vdd3．] 图 2 U盘 电路原理 为了使软件可移植性强、易维护，采用分层的编 bAddress，UINT8 bEnable)； 写 PDIUSBD12的驱动程序。USB驱动程序分层结构如 ◇ 设 置 端 点 使 能，void D12一SetEndpointEnable 表 1所列 。 (UINT8 hEnable)； 表 1 USB驱动程序分层结构 ◇ 设置模式，void D]2一SetMode(uint8 bConfig，uint8 文件名 简要说明 相关性 PDIUSBD12与 MCU 之 D12HAL ．C 与硬件相关 间的硬件接口 D12CI．C PDIUSBD12命令接口 与硬件无关 Chap — ．9．C USB协议层 与硬件无关 Descriptor．C USB协议层 与硬件无关 D12Driver．C USB应用层 与硬件无关 ① 硬件提取层(D12HAI ．c)包含最底层的函数。 ② D12命令接口(D12CI．c)实现 PDIUSBD12的命令 接 口以简化器件的编程。该层的函数及其功能如下 ： ◇读取芯片 ID号，uint16 D12一ReadChipID(void)； ◇设置地址／使能，void D12一SetAddressEnable(UINT8 bClkDiv)。 ③ 协议层(Chap一9．c)处理标准的 USB设备请求 ，以 及特殊的厂商请求 ，如 DMA等。USB主机通过标准USB 设备请求，可设定和获取 USB设备的有关信息，完成 USB 设备的枚举。 所有的请求都是通过端点 0接收和发送 SETUP包 来完成的。接收主机 SETUP包的函数为 epO—rxdone()， 所有 SETUP包都由函数 control—handler()来处理，发送 SETUP包的函数为 epO—txdone()。SETUP包的接收和 发送通过控制传输结构全局变量 CONTROL_XFER Con— trolData来控制，它实现 了以上 3个 函数之 间的通信。 4 《雄‘；缸 入主 毒 刍I甜 J ． ⋯ ⋯ ⋯ ，r 。． ．= R 、 vl毒 0∞星 ，￡． dvu盍 一0 嚣 u皂 叫∞山盈 n 0 ∞∞∞> H^ L，∞ ql、，上x 一 Hlx 0 I^-L，卜 0^ H《、 ．PL、 《00∞目∈ ．0 0l nq ．0dvul，8目U∞ ．0 苔 0．昌 I^，v口 ∞，￡．0 ∞∞ ，9q ￡A 00dv U∞ 0 0 苔 凸 重 d，o(— 岜 ．0 维普资讯 http://www.cqvip.com CONTROL _ XFER结构体的定义如下： typede{struct— controLxfer{ DEVICE—REQUEST DeviceRequest； ／／usB设备请求结构体，8字节 unsigned short wLength；／／传输数据的总字节数 unsigned short wCount；／／传输字节数统计 unsigned char pData；／／传输数据的指针 unsigned char dataBuffer[MAX — CONTROLDATA_SIZE]； ／／请求的数据 )C0NTR0L—XFER； 上述几个函数及 ControlData变量之间的关系如 图 3 所示 。 U 应 用天 地 识别设备 ，设备就必须提供正确的描述符 ： ◇设备描述符； ◇ 配置描述符； ◇接 口描述符； ◇端点描述符。 2．2．2 Bulk—Only批量传输协议实现 Bulk—Only协议 包括两 部分：类 特定请 求命令 和 Bulk—Only传输。 (1)类特定请求命令 ① 批量传输的大容量存储器复位。要发送批量传输 的大容量存储器复位请求 ，主机将在默认管道发送一个设 备请求： 图 3 USB协议层 ④ 应用层(D12Driver．c)实现 PDIUSBD12的所有功 能。USB设备控制驱动、USB接 口控制驱动和协议层都 在应用层的控制之中。应用层要实现的任务包括 ： ◆ 初始 化 PDIUSBD12。包括 初始化 PDIUSBD12的 硬件连接、复位 PDIUSBD12、配置 PDIUSBD12的中断服 务程序地址 、初始化应用层相关的全局变量。 ◆ 编写 PDIUSBD12中断服务程序。PDIUSBD12几 乎所有功能都是通过 PDIUSBD12中断服务程序来完成 的，因此中断服务程序是应用层的核心部分，也是本驱动 程序的核心部分。它要完成以下任务 ： ◇控制端点数据接收与发送 中断服务程序 ，负责处 理控制传输的有关工作 ； ◇端点 1和端点 2数据接收与发送中断服务程序； ◇USB总线挂起、复位、DMA结束中断服务程序。 ◆用户读写端点 1和端点 2的 API函数。 ◆传输控制处理任务。该任务用 于处理枚举、标准 任务请求、厂商请求等传输控制。 2．2 Mass Storage类协议的实现 完整的 Mass Storage类协议需要实现如下几部分 ： 在枚举时，提供 Mass Storage类协议描述符；实现 Bulk— Only批量传输协议 ；实现 SCSI命令集。 2．2．1 Mass Storage类协议描述符 USB采用设备类的方式对设备进行管理。要让主机 ◇ bmRequestType——类、接 口、 主机到设备； ◇ bRequest字 段 设 置 为 255 (FFh)； ◇ wValue字段设置为 0； ◇wIndex字段设置为接口编号； ◇wLength字段设置为 0。 批量传输的大容量存储器复位请 求如下： IbmRequestTypel bRequest『wValue l wlndex l wLengthl Data I l 0010001b J 11111111b I O000h l接口 I O000h I空 I ② 获取最大逻辑单 元号 (专用类请求)。Get Max LUN设备请求用于确定设备支持的逻辑单元编号。设备 的逻辑单元编号可 以从 LUN为 0到 LUN的最大值 15 (Fh)。 要发送 Get Max LUN设备请求，主机应在以下默认 管道发送一个设备请求 ： ◇bmRequestType——类、接 口、设备到主机； ◇bRequest范围设置为 254(FEh)； ◇wValue字段设置为 0； ◇ wIndex字段设置为接口编号； ◇ wLength字段设置为 1。 获得最大逻辑单元字如下： 设备应返回1字节包含设备支持的最大逻辑单元数。 例如，如果设备支持4个 LUN，则 LUN的编号应从 O～3， 则返回值为 3。如果设备没有相关的 LUN，则返 回值为 0。主 机 不 应 向一 个 不 存 在 的 LUN 发 送命 令 块 包 (CBW )。 不支持多 LUN的设备会返回STALL。 paper@mesnet．corn．cn(投稿专用) Micr。c。ntr。11ers＆Embedded Svstems 5 5 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用天地 (2)Bulk—Only传输 Bulk—Only传输协议没有使用中断和控制端点 ，仅 使用 Bulk批量 端点来 进 行命令块、数据和命令块 状态 的传输。控 制 端 点 (默认)管道仅用来请求批 量端点上的 STALL停止 的状态和执行类特定请求 命令。 Bulk—Only传输的流 程如图4所示。 + 命令传{ 俞(cBw)I f l T Y 数据输出 数据输入 (主机到设备) (设备到主机) I I Y 状态传输 I 图4 命令／数据／状态流程 2．2．3 SCSI命令集实现 SCSI命令集是 SCSI设备通用命令集。SCSI有 3种 字长的命令：6字节、lo字节和 l2字节。Microsoft win— dows环境下支持 12字节长的命令。图 5给出了通用的 UFI命令块的格式。请注意，这些字节就是 CBW 封包中 CBWCB字段的内容。 ＼ 宇八 7 6 5 4 3 2 1 O O 操作代码 1 逻辑单元号 保 留 2 (MSB) 3 逻辑块地址 4 (Logical Block Address，即 LBA，可选) 5 (LSB) 6 保 留 7 (MSB) 传输量、参量列表或 8 返回数据长度(可选) (LSB) 9 保 留 10 保 留 11 保 留 图5 UFI子类命令块地址 对不同的命令只需根据 SCSI命令集白皮书作出适 当 的回应。Pm25LvOlO的最小擦除单位为扇区(4 KB)，故在 程序 中定义一个 4 KB的缓 冲 区 Cache—STRUC Flash— Cache，把每次收到的数据放入缓冲区中，到缓冲区满数据 接收完毕时再将其写入 Flash存储器中，流程如图 6所示。 2．3 Flash存储器的读写控制 Flash存储器读写程序 由 SPI控制和 Pro25LVO10控 制两部分组成。 Pm25LV010 Flash存储器采用的是 SPI串行接口，其 SPI有两种工作模 式——模式 0和模式 3。SPI．C完成 SPI底层操作 ，给 Pm25LV010控制程序提供一个读写 1 字节数据函数。该函数使用 SPI模式 0。 Pm25LVO10控制程序完成 Pm25LVO10器件的所有 操作 ，其向高层提供的函数及功能如表 2所列。 开 始 接收数据存入FlashCache缓冲区 将无需改写的数据读入缓冲区 将缓冲区数据写入Flash存储器 完 成 图 6 接收数据命令流程 Pm25LV010的最小擦除单位是扇区(每扇区 4 KB)， 在改写扇区内任意一字节数据时都需要将该扇区擦除。针 对这种情况，在程序中定义了～个 4 KB大小的缓冲区，当 上层调用函数 WriteToFlash()向Flash写数据时，并不直接 写入 Flash，而是先写到数据缓冲区，其流程如图7所示。 图 7 向 Flash写数据流程 表 2 Pm25LV010驱 动程序 高层 函数 函数名 功 能 void PMC Ini(void) 初始化 Flash器件 void Flash_RDID(uint8*IDdata) 读器件 ID void Flash — RdNByte(uint32 addr， N字节读取函数 uint8 pdata，uint32 count) void WriteToFlash(uint32 addr，uint32 向 Flash写数据 len，uint8 "X-dat) void ReadNoChange(Uint32 addr， 在向一个扇区写一段数据时，把 uint32 ien．uint8*bud 不需修改的数据保存在缓冲区 uint8 Flash— WriteSectors(uint32 ad— 写 一 个扇区 dr，uint8 pdata，uint32 Verify) 《聋卉缸 入 务 刍厢 一A一 ⋯ 一⋯ ⋯ 一，r ±m、 维普资讯 http://www.cqvip.com 应用天地 步态加速度信号的无线采集系统设计 ■ 华 中师范大学 周 兆 丰 刘 守 印 侯 向 锋 为实现步态加速度信号的无线采集，提 出一种基 于内嵌 8051的无线收发芯片 CC1010的有效方法。简 ⋯ 要介绍步态加速度信号无线采集系统的工作原理，详细说明该系统的软硬件设计与实现。系统采用路 由 一 一 和重传机制，以确保数据的可靠传输。利用本采集系统成功建立一个 36人的步态加速度数据库，可供不 同领域的步态研究者进行分析。 关键词 步态加速度 CC1010 MMA7260 路 由 无线采集 步态，即人走路 的姿势。作为一种生物特征 ，它具有 不受距离影响、非侵犯性、难以伪装、受环境影响小等独特 的优点 ，因而近年来备受关注。国内外的许多知名大学和 研究机构 ，如美国麻省理工学院、中国科学院 自动化研究 所等，都广泛展开了步态识别研究工作口]。步态的独特性 为人的身份识别和认证提供了有效线索，对医疗上的异步 病态、偏瘫等疾病的预防、诊断和康复也可以起到很显著 的辅助作用。而且，在现代化 的体育训练中，也可以通过 步态特征来监测运动员的体能消耗情况、动作准确程度 等，制定科学的训练。此外，步态在机器人的行走、人 的行为理解等科学研究上也占有举足轻重的地位。 目前，国内外的步态研究都刚刚起步。各个步态研究 领域都需要大量可靠的原始步态数据。现在公开的步态 数据库主要有南安普敦大学的 S0T0N步态数据库、麻省 理工学院的 MIT步态数据库、卡 内基梅隆大学的 CMU 步态数据库，以及中国科学院自动化研究所提供的 NLPR 步态数据库。以上数据库都是基于图像的。然而，动态环 境中拍摄的图像受光照变化、运动目标的影子等多方面因 素的影响，会给基于图像的步态特征提取带来较大困难。 所以，Heikki Ailisto等人[2 提出一种采用加速度传感器 来获取步态数据的新方法 ，避免了动态环境中多方面因素 对捕捉图像的不利影响，降低了数据处理的难度，开辟了 步态数据获取 的新途径；但此方法采用装备有 DAQ12OO 数据采集卡的笔记本电脑来采集数据，不仅成本高，而且 不便于测试对象携带。 步态加速度信号的提取方法成了步态研究的一个瓶 颈；但是，随着各项技术的迅速发展 ，自动化、智能化的采 集步态加速度信号成为了可能。 本文提出了一种基于无线收发芯片 CC1010的步态 加速度信号无线采集的有效实现方法。该方法采用三轴 加速度传感器 MMA7260测量步态的加速度信号，并用 Chipcon公司的内嵌 8051的无线收发芯片 CC1010作为 核心控制器，控制其内置的模数转换器对加速度信号进行 采样 、A／D转换 ，然后在无线发射模块和接收模块间借助 于路由实现了步态加速度信号可靠的无线传输。该采集 系统由 450 mAh的锂电池为其供电，可脱机使用。 1 系统设计原理 首先使用三轴加速度传感器来感测人行走时产生的 三维加速度信号 然后由 A／D转换器对模拟信号进行采 3 结 论 基于 LPC2132微控制器的硬件平 台上实现了 USB 驱动、Bulk—Only传输协议、SCSI命令集，实现了完整的 U盘功能。l誓 参考文献 Eli周立功，等．ARM 嵌入式系统基础教程[M]．北京：北京航 空航天大学 出版社 ，2005． [2]周立功，等．PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发[M]．北 京：北京航空航天大学出版社，2003． [3]PMC Pm25LV010 Datasheets 2005．10． [4]周立功，张华，等．深入浅出 ARM7——LPC213x／214x(上) (下)[M]．北京 ：北京航空航天大学出版社，2006． ⋯ ⋯ 一 ⋯ ，播 擅 =k-田 、 ⋯ ⋯ ⋯ l1⋯ k ～ ⋯ 。 5 7 维普资讯 http://www.cqvip.com