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    工程師值得推敲的設計:嵌入式USB工業U盤系統的設計

    發布時間:2014-12-05 責任編輯:echolady

    【導讀】本文設計建立在嵌入式USB主機系統上,實現了USB協議中的Mass Storage類協議和精簡的FAT文件系統。實現了對U盤文件數據的讀寫功能,從而完成文件操作等響應功能。

    應用領域背景

    隨著自動化技術的不斷發展,各種各樣的嵌入式控制器獲得了日益廣泛的應用。一些傳統的輸入輸出設備已經為新型的大容量、智能化的輸入輸出設備所取代。U盤以其容量大、體積小、價格便宜的眾多優點成為了最新的移動存儲設備。目前在個人計算機上U盤已經取代了傳統的軟盤成為廣泛使用的移動存儲介質。

    工業現場一般都需要數據采集器來完成各類數據采集任務。在很多實際應用中,往往要求數據采集器具有工作可靠、成本低廉、操作簡單、數據便于收集和計算機分析等特點。如果能在嵌入式數據采集系統中實現USB主機功能,那么嵌入式數據采集器就能像PC機一樣方便靈活地利用U盤這類USB存儲設備進行數據存儲。但是U盤和其他的USB設備一樣。是通過PCI總線與PC機內部的數據總線相接,實現數據的傳送,這樣在一些相對簡單的微控制器中將無法實現對U盤的操作。本設計所實現的模塊就是為了將U盤應用在PC機不適合的場所而設計的。

    設計摘要

    針對現在U盤無法脫離PC機使用的局限性,工業現場許多嵌入式系統沒有提供USB接口和文件系統操作功能,本模塊使用PIC32 Starter KitsⅡ通過RS232接口實現現有嵌入式系統對U盤的操作。包括數據文件的寫入、讀取以及文件目錄的創建和刪除等。

    系統框圖

    本系統硬件主要包括PIC32 Starter KitsⅡ為中央控制器,USB設備如U盤等為數據存儲設備,嵌入式設備為一些工控設備。其系統框圖如圖1所示。

    工程師值得推敲的設計:嵌入式USB工業U盤系統的設計
    圖1:系統架構圖

    本系統軟件工作流程如圖2,可以執行各種規定的操作,如:打開、新建、刪除文件等。USB接口系統PIC32 Starter KitsⅡ是整個系統的核心,用來控制USB總線接口和U盤進行命令和數據交換。它可以被看作是一個硬件、固件和軟件的綜合體。

    工程師值得推敲的設計:嵌入式USB工業U盤系統的設計
    圖2:工作流程圖
     
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    系統原理和技術特點

    系統原理:

    本設計采用PIC32 Starter KitsⅡ作為主機系統,并采用MAX3232芯片設計3.3V到5V電平轉換電路構成整個系統的硬件體系。

    主要特性

    1、最高可達到1.5 DMIPS/MHz 的性能
    2、可編程預取高速緩存存儲器,以增強閃存中的執行效率
    3、16位指令模式(MIPS16e),用于緊湊型代碼
    4、帶有63個優先級的向量中斷控制器
    5、可編程的用戶和內核工作模式
    6、可對外設寄存器執行原子級位操作(單周期)
    7、乘法/除法單元,最高指令發出速率為每個時鐘一條32 × 16 乘法指令
    8、高速Microchip ICD 端口,具有基于硬件的非侵入式數據監視和應用程序數據流功能
    9、EJTAG調試端口,支持廣泛的第三方調試、編程和測試工具
    10、指令控制的功耗管理模式
    11、5 級流水線指令執行
    12、內部代碼保護,以幫助保護知識產權

    如圖3電平轉換電路原理圖,實現3.3V到5V的電平轉換,實現RS232通信。

    工程師值得推敲的設計:嵌入式USB工業U盤系統的設計
    圖3:電平轉換電路原理圖

    技術特點:

    1、直接嵌入用戶系統,不必了解USB協議
    2、兼容大容量U盤
    3、支持USB2.0接口協議
    4、多種RS232串口波特率:115200/9600bps等
    5、支持文件系統: FAT32
    6、直接創建Word、 Excel、二進制等各種類型文件
    7、能對文件及文件目錄進行創建、更名、刪除及移動等操作

    軟件流程介紹

    工程師值得推敲的設計:嵌入式USB工業U盤系統的設計
    圖4:軟件流程
     
    本設計建立了基于PIC32的嵌入式USB主機系統,該系統實現了USB協議中的Mass Storage類協議和精簡的FAT文件系統,能夠對U盤中的文件數據進行讀寫,完成相應的文件操作等各種功能。該系統能真正實現了便攜式,擺脫了PC機對USB設備的控制,無需PC主機即可對USB設備進行讀寫操作,在嵌入式系統領域將有著很廣泛的應用前景。

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