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USB HOST相關(guān)模塊的總體設計 汽車(chē)行駛記錄儀中的USB HOST相關(guān)模塊由單片機、USB HOST接口、FLASH、鐵電存儲體（FRAM）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和電源管理等部分組成，其功能框圖如圖1所示。汽車(chē)行駛記錄儀工作時(shí)，由單片機通過(guò)前端接口電路拾取汽車(chē)行駛狀態(tài)的各種信息，包括車(chē)速、發(fā)動(dòng)機轉速和各種車(chē)輛開(kāi)關(guān)信號等。汽車(chē)行駛記錄儀以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準，把車(chē)輛信息按類(lèi)別分別存入FRAM和FLASH。需要從汽車(chē)行駛記錄儀中獲取汽車(chē)記錄狀態(tài)信息時(shí)，用戶(hù)插入優(yōu)盤(pán)，單片機自動(dòng)識別優(yōu)盤(pán)并加載驅動(dòng)程序，當完成設備枚舉和Bulk_Only傳輸協(xié)議后，單片機就可以把汽車(chē)行駛記錄儀中記錄的狀態(tài)信息以文件的形式傳輸到優(yōu)盤(pán)。本文重點(diǎn)介紹電源模塊、USB HOST模塊、數據存儲模塊的硬件設計。 考慮到汽車(chē)的復雜工況以及記錄儀的性?xún)r(jià)比，單片機至少為工業(yè)級產(chǎn)品，由于有USB HOST結構，FLASH和RAM要足夠大，這樣系統資源才夠用。另外，考慮到成本和開(kāi)發(fā)周期，單片機選擇51系列比較有利，綜合以上因素，單片機選擇AT89C51RD2，擴展RAM；目前市場(chǎng)上的USB設備芯片比較多，而HOST要少一些。選擇USB HOST接口芯片要考慮兩點(diǎn)：一是在硬件上必須比較容易和51單片機相連接，二是軟件開(kāi)發(fā)難度不能太大，因此選擇SL811HST。對于數據存儲體，必須滿(mǎn)足存儲時(shí)間為15年有效，而且存儲容量為至少360小時(shí)有效數據，普通數據FLASH擦寫(xiě)次數為100萬(wàn)次，不能滿(mǎn)足記錄儀中頻繁擦寫(xiě)數據的要求，而鐵電擦寫(xiě)次數為無(wú)限次，但大容量FRAM價(jià)格很高，綜合這兩點(diǎn)，存儲體采用小容量FRAM和FLASH結合，這樣既滿(mǎn)足記錄儀要求又有比較低的成本。 電源模塊硬件設計 汽車(chē)電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾的最根本原因就是在其工作過(guò)程中產(chǎn)生的di/dt。電源模塊設計就是要在這些干擾源下能正常工作，其硬件電路如圖2所示。 在電源輸入處，二極管VD1（IN4007）的作用是防止反接，這樣即使在電源接反的情況下，電子設備也不會(huì )被損壞；VD2（A36A）為瞬態(tài)抑制二極管，能吸收高壓脈沖電壓，防止大功率器件工作時(shí)產(chǎn)生的高壓脈沖對電子設備的損壞；L1和L2是低電感磁條，其能有效的損耗干擾成分的能量，能很好改善電源性能；F1和F2為自復位二級管，防止電子設備內有器件被損壞時(shí)，電源短路造成對其他器件的損壞。三端穩壓管7812（N2）提供12V電壓滿(mǎn)足前端輸入接口拾取電路的需要，同時(shí)給三端穩壓器7808（N1）提供輸入，N1提供8V電壓，滿(mǎn)足里程輸出以及速度輸出需要，開(kāi)關(guān)穩壓器LM2576（N3）提供5V輸出，最大輸出電流為3A，滿(mǎn)足記錄儀帶打印機的需要。WRD24B05（N4）為DC-DC轉換器，隔離汽車(chē)和電子設備電源，使設備電源穩定可靠。正向電壓調節器SPX1117（N5）提供3.3V電壓，供SL811HST和存儲體的需要，N6前端的晶體管8550控制N6的輸入，N6給IC卡供電，需要電源可控。 USB HOST模塊硬件設計 在汽車(chē)行駛記錄儀USB HOST模塊中，單片機采用AT89C51RD2，USB HOST接口芯片采用SL811HST，該模塊硬件電路如圖3所示，SL811HST提供并口總線(xiàn)數據協(xié)議和控制線(xiàn)CS、RD、WR、INTRQ以及A0，利用單片機的讀寫(xiě)信號線(xiàn)RD、WR，以及控制線(xiàn)A0、INT1就能把SL811HST和AT89C51RD2連接起來(lái)，其中8根數據線(xiàn)在控制線(xiàn)的控制下與AT89C51RD2進(jìn)行數據交換。USB HOST包含有USB設備枚舉協(xié)議、Bulk_Only傳輸協(xié)議以及FAT文件結構，AT89C51RD2的RAM資源不夠，因此，系統擴展了32Kb SRAM，其占有低32Kb地址。為了保證操作SL811HST的可靠性，用HC00擴展了邏輯電路，因此SL811HST占有0x8000和0x8001兩個(gè)地址。另外，USB總線(xiàn)的電氣特性要求在USB收發(fā)器之前必須串接22～44Ω電阻，同時(shí)必須根據不同的USB設備傳輸速度（全速或低速），配置好上拉電阻和下拉電阻的位置。 當CS、RD有效時(shí)，如果A0為高，這是讀當前地址或寄存器數據，如果A0為低，則讀當前地址或寄存器地址。當CS、WR有效時(shí)，如果A0為高，這是寫(xiě)當前地址或寄存器數據，如果A0為低，則寫(xiě)當前地址或寄存器地址。 USB HOST識別設備過(guò)程如下：當SL811HST連接上USB設備后，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷。AT89C51RD2接收到中斷后，進(jìn)入枚舉過(guò)程。從USB設備插入接口開(kāi)始到客戶(hù)驅動(dòng)程序能夠使用該設備還有一些工作要做，這一段可以稱(chēng)作設備識別過(guò)程，也稱(chēng)枚舉過(guò)程。枚舉過(guò)程是所有USB設備使用前必經(jīng)的過(guò)程，USB HOST端在使用前需要知道這是一個(gè)低速設備還是一個(gè)全速設備，需要知道這個(gè)設備的一些特性和能力，以便載入相應的驅動(dòng)程序。當USB HOST配置完USB設備后，通過(guò)描述符提供的信息識別出Bulk_Only的Mass Storage設備，然后進(jìn)入Bulk_Only 傳輸方式，在此方式下，USB與設備之間的所有數據均通過(guò)Bulk_In和Bulk_Out 來(lái)傳輸，不再通過(guò)控制端點(diǎn)傳輸任何數據。在這種傳輸方式下，有三種數據類(lèi)型在USB和設備之間傳輸，CBW、CSW和普通數據。CBW（Command Block Wrapper，即命令塊分組）是從USB HOST發(fā)送到設備的命令，命令的格式遵從接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令塊，這里為SCSI傳輸命令集。USB設備需要將SCSI命令從CBW中提取出來(lái)，執行相應的命令，完成以后向HOST發(fā)出當前命令執行狀態(tài)CSW（Command Status Wrapper）, HOST根據CSW來(lái)決定是否繼續傳送下一個(gè)CBW或數據。USB HOST要求USB設備執行的命令如果為發(fā)送數據，則此時(shí)需要將特定的數據傳送出去，傳送完畢后發(fā)出CSW，使USB HOST進(jìn)行下一步操作。 圖2 電源模塊原理圖 圖3 USB HOST模塊原理圖 存儲模塊硬件設計 結合普通FLASH和FRAM來(lái)存儲數據，既滿(mǎn)足了數據存儲擦寫(xiě)次數的要求，也有比較低的成本。數據存儲模塊的硬件電路如圖4所示。 FRAM芯片FM24CL16通過(guò)I2C接口和AT89C51RD2相連，I2C總線(xiàn)通過(guò)兩根線(xiàn)——串行數據（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）線(xiàn)連接到總線(xiàn)上的任何一個(gè)器件，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器。此外，器件在執行數據傳輸時(shí)也可以看作是主機或從機，I2C是一個(gè)多主機總線(xiàn)，SDA和SCL都是雙線(xiàn)路，連接到總線(xiàn)的器件的輸出級必須是漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路，都通過(guò)一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓。當總線(xiàn)空閑時(shí)，這兩條線(xiàn)路都是高電平。FLASH芯片AT45DB041通過(guò)SPI接口和AT89C51RD2相連接，SPI是一個(gè)全雙工的串行接口，采用三線(xiàn)同步的數據傳輸形式。在一定的數據傳輸過(guò)程中，接口上只能有一個(gè)主機和一個(gè)從機進(jìn)行通信。在一次傳輸過(guò)程中，主機總是向從機發(fā)送一個(gè)字節數據，而從機也總是向總機發(fā)送一個(gè)字節數據。 圖4 存儲模塊原理科 小結 本設計實(shí)現了汽車(chē)行駛記錄儀的USB HOST功能，使汽車(chē)行駛記錄儀與優(yōu)盤(pán)可進(jìn)行大量數據的快速交換�；诒驹O計的產(chǎn)品在送檢、認證和使用過(guò)程中，USB HOST技術(shù)性能達到了產(chǎn)品設計要求和技術(shù)要求，方便了用戶(hù)對大量數據進(jìn)行快速采集。 |
