数字温度记录仪中的USB主机设计

引言在USB拓扑结构中PC机扮演着核心作用,没有PC机的参与,USB设备将无用武之地;但随着USB-OTG规范的提出和USB主机接口芯片的产出,USB主机逐渐应用到各种场合中,如数码伴侣、打印机等。目前,大多数的温湿度记录仪都是通过单片机的A／D模块多次采样．经过软件滤波,得到一个均值,然后再通过模拟传感器的数据校正表换算出实际的温湿度,而且都是通过串口与上位机进行通信,上位机需要编写一个数据分析软件来设置记录仪的工作模式,并对记录的历史数据进行分析与处理。根据对以往记录仪的分析和对USB-OTG技术的深入研究,提出了数字温湿度记录仪系统中USB主机设计的实现方案。将USB主机嵌入到数字温湿度记录仪系统中,把对记录仪的设置预先写到USB磁盘上,再将USB磁盘插到记录仪上,分别按下读／写按键,记录仪分别完成读取磁盘上的配置和将记录数据写到USB磁盘上。下面详细分析其硬件设计和软件实现过程。
1 硬件设计
记录仪系统硬件结构如图1所示。该系统主要完成采集、显示和记录数据,并驱动USB磁盘,在单片机上实现读写USB磁盘功能。整个系统硬件主要由一个主控芯片、数字温湿度传感器、USB主机接口芯片、E2PROM、LCD液晶显示器等构成。系统由电池供电,无论是硬件设计还是软件编程都要考虑功耗问题,所以主控芯片选用超低功耗的MSP430F1611单片机,结合软件编程能延长电池寿命。数字温湿度传感器选用的是Rotronic公司的HygroC1ip,USB主机芯片选用Philips公司的ISPl362 。
1．1 数字温湿度传感器HygroClip
HygroClip是一种数字温湿度传感器,具有5根线：电源、地、温度输出、湿度输出、数字输入／输出。供电电压需要5 V,而整个系统的工作电压小于5 V,所以要外加有使能端输出为5V的升压器,使能端由MSP430F1611的普通I／O口控制,这样可以有选择地使传感器工作,有利于降低系统功耗。传感器主要由AIRCHIP2000和Micro-Controller／E2PROM两部分构成。AIRcHIP2000中的集成电路负责测量温湿度,并将它们转换为数字量;D／A转换器将MicroController发出的数据转为模拟输出。MicroController根据数字量算出温湿度的实际值,通过数字输出线发送到MSP430F16ll中。E2PROM用来保存校正数据、传感器数据等。HygroClip与MSP430F1611传输数据通过数据输入／输出线来完成,所以是一位一位地发送数据,发送8位代表发完1个字节,有点类似于串口通信协议。串口通信协议规定如下：先发送同步头,当HygroC1ip接入系统3秒钟后,自动进入发送温湿度数据状态,单片机检测到其下降沿中断,然后开启上升沿中断,启动定时器计数,计算进入上升沿中断的时间。若在800μs左右,表示可能是同步头,此时开下降沿中断,并重计定时器的时间。若在4700μs左右,则表示抓到同步头。该下降沿标志着第一位发送数据的开始,经过200μs查看接收位的状态,为“1”表示收到的是“1”,为“0”表示收到的就是“0” 。其数字输入／输出引脚的波形如图2所示。
1．2 ISPl362简介
ISPl362是Philips公司推出的USB芯片。它在单芯片上集成了OTG控制器、主机控制器、设备控制器、USB收发器、OTG收发器和缓存器等。OTG控制器完全兼容USB2．0及On-The-Go Supplement 1．0协议,支持OTG标准要求的所有功能。在OTG模式下工作时,可通过主机通信协议HNP实现主机和外设两种功能的转化,并支持对话请求协议SNP 。主机和设备控制器遵守USB2．O协议,支持1．5 Mb／s的低速传输和12 Mb／s的全速传输。当作为设备控制器时,具有两个控制端点,且能利用14个端点进行四种传输类型的任意类型。ISP1362还集成了计时器及支持OTG功能所需要的模拟元件,而且内部还有一个锁相环PLL,因此可以选用12MHz的晶振,既降低了成本,又降低了EMI 。ISP1362支持内置电源供电及外部电源供电两种模式。对于较低功耗的应用设计,可用内部集成的电荷泵激励器;而如果应用系统的功耗较高,则要用外部电源供电。ISPl362还提供2个USB端口。端口1可进行软件配置,并可用作下行、上行OTG端口。作为OTG端口,端口1可在主机或外设模式下工作,并可通过HNP或布线变化来动态转换角色。端口2只用作下行传输。ISPl362的接口电路如图3所示。
1.3 MSP430F1611简介
MSP430F1611是TI公司推出的一款16位超低功耗单片机,工作电源电压为1．8～3．6 V,可用电池工作,而且可以有很长的使用时间;具有16位RISC结构,CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗;具有5种省电模式,在lMHz的时钟条件下运行,耗电电流(0．1～400 μA)因不同的工作模式而不同;数字控制振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒,在少于6μs的时间内激活到活跃的工作方式;支持串行在系统编程和安全熔丝的程序代码保护,内部具有10KB容量的RAM,可以存放大容量中间数据和变量。
2 软件设计
整个系统软件分为用户程序和uSB主机软件两部分,USB主机软件为用户程序提供软件接口。当记录仪需要读写USB磁盘时,调用接口发送读写命令即可实现。用户程序集成初始化、采集、显示、记录等子程序。初始化单片机与其外围模块;采集程序负责将数字温湿度传感器的脉冲输入转换为温湿度的值;显示程序则将采集到的数据通过液晶显示器显示出来,显示频率可以设置;记录程序将采集的数据写到F2PROM保存,掉电不丢失,从而要通过I／O口模拟I2C协议实现读写32PROM,USB主机软件集成USB主机控制器驱动程序(HCD)、USB驱动程序(USBD)和MassStorage类驱动程序。HCD负责完成对USB主机控制器ISPl362配置和工作管理,通过数据线上的电平变化检测到USB设备的接入和拔出,如ISPl362的初始化、设置ISPl362的寄存器实现链路级数据传输等。USBD是整个主机软件的核心部分,相当于PC机上USB主机的核心驱动程序,按照USB协议合理调用HCD来获取设备、配置、接口及端点描述符,然后对USB设备设置地址并与之通信,从而识别并判断USB设备是否属于Mass Storage类。Mass Storage类驱动程序包括Bulk_Only传输协议的实现以及在协议实现的基础上发送特定的请求命令,进而对USB磁盘上的F1ash进行读和写,从USB磁盘上读取对记录仪的配置,并将记录仪保存的数据写到USB磁盘上供上位机分析处理。
为了将系统的功耗降到最低,仅仅在硬件设计上考虑是远远不够的,还需要设计低功耗的软件来配合硬件工作,才能达到理想的目标。在本系统中,为了降低功耗,将用户程序和USB主机软件进行整理和优化,分成主程序、看门狗中断子程序和USB主机程序三大模块。主程序负责初始化、开中断后进入低功耗工作模式,然后一直等待中断,看门狗中断程序负责采集数据、显示数据、保存数据等功能,因为记录仪需要不断的采集、显示和保存,所以要周期性地进入中断。采集、显示和保存这三个事件不是同步的,每次进入中断后都会采集数据,但是达到显示和保存条件之后分别进入相应的处理,而且显示和保存的时间参数是通过USB磁盘配置得到的,可以更改。读写中断子程序负责判断按键类型,在Mass Storage类驱动程序基础上建立一个FAT文件系统,支持FATl6／FAT32两种文件格式,以文件的形式统一管理USB磁盘上的内容。各个程序流程如图4至图6所示。
【数字温度记录仪中的USB主机设计】

数字温度记录仪中的USB主机设计

推荐阅读

u盘接口有几种形状

苍蝇的生长过程，详细介绍苍蝇的生长阶段

怀孕5个月要做什么检查

坐月子哪些地方要注意

头发硬是什么原因

猕猴桃如何去皮

怎样才能早期发现乳腺癌? 乳腺癌早期可以发现吗

立式吸尘器怎么选

秋季室外适合种植什么作物

金属制品属于哪种垃圾

华景川集团跟绿城什么关系

基础卵泡少是怎么回事

黑鲨2支持快充吗黑鲨2支持什么快充

咸阳扶苏路充电站停运了吗今天咸阳扶苏路充电站停运了吗？

孕妇肚上竖线能看出是男是女？

锁扣地板优缺点详细介绍锁扣地板优缺点详细介绍图片

为什么要设立两个个人养老金账户呢为什么要设立两个个人养老金账户

胎心监护前吃什么好

公司派你去总部党员学习是好事吗

iran是哪个国家