数字温温度记录仪中的USB主机设计

2万 · 2014-6-22 23:14

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。

2万 · 2014-6-22 23:14

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。

2万 · 2014-6-22 23:15

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。

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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。

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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。

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3 结论

将USB主机应用到数字温湿度记录仪系统中；使用数字传感器可大大提高记录的精度，记录仪通过USB磁盘就可上传配置和下载数据，可去除对PC机的依赖，扩大应用范围，具有很好的扩展性；使用超低功耗单片机大大降低系统的功率，延长电池的寿命。

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