基于PIC32嵌入式USB工业U盘系统设计

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1应用领域背景
          随着自动化技术的不断发展，各种各样的嵌入式控制器获得了日益广泛的应用。一些传统的输入输出设备已经为新型的大容量、智能化的输入输出设备所取代。U盘以其容量大、体积小、价格便宜的众多优点成为了最新的移动存储设备。目前在个人计算机上U盘已经取代了传统的软盘成为广泛使用的移动存储介质。
           
          工业现场一般都需要数据采集器来完成各类数据采集任务。在很多实际应用中，往往要求数据采集器具有工作可靠、成本低廉、操作简单、数据便于收集和计算机分析等特点。如果能在嵌入式数据采集系统中实现USB主机功能，那么嵌入式数据采集器就能像PC机一样方便灵活地利用U盘这类USB存储设备进行数据存储。但是U盘和其他的USB设备一样。是通过PCI总线与PC机内部的数据总线相接，实现数据的传送，这样在一些相对简单的微控制器中将无法实现对U盘的操作。本设计所实现的模块就是为了将U盘应用在PC机不适合的场所而设计的。
           
          2 设计摘要
          针对现在Ｕ盘无法脱离PC机使用的局限性，工业现场许多嵌入式系统没有提供USB接口和文件系统操作功能，本模块使用PIC32 Starter KitsⅡ通过RS232接口实现现有嵌入式系统对U盘的操作。包括数据文件的写入、读取以及文件目录的创建和删除等。
           
          3系统框图
          本系统硬件主要包括PIC32 Starter KitsⅡ为中央控制器，USB设备如U盘等为数据存储设备，嵌入式设备为一些工控设备。其系统框图如图3-1所示。
           

       

        图3-1系统架构图

         

        本系统软件工作流程如图3-2，可以执行各种规定的操作，如：打开、新建、删除文件等。USB接口系统PIC32 Starter KitsⅡ是整个系统的核心，用来控制USB总线接口和U盘进行命令和数据交换。它可以被看作是一个硬件、固件和软件的综合体。

         

       

        图3-2工作流程图

        4系统原理和技术特点

       

•                                          系统原理：
  
  

          本设计采用PIC32 Starter KitsⅡ作为主机系统，并采用MAX3232芯片设计3.3V到5V电平转换电路构成整个系统的硬件体系。
           
          1）PIC32 Starter KitsⅡ硬件平台简介
          PIC32MX 单片机（MCU）是一款基于MIPS? Technologies的M4K™ 内核的复杂片上系统。M4K™ 是最新型的32位低功耗RISC处理器内核，采用了增强型MIPS32? Release 2指令集架构。
           
          主要特性
          • 最高可达到1.5 DMIPS/MHz 的性能
          • 可编程预取高速缓存存储器，以增强闪存中的执行效率
          • 16位指令模式（MIPS16e），用于紧凑型代码
          • 带有63个优先级的向量中断控制器
          • 可编程的用户和内核工作模式
          • 可对外设寄存器执行原子级位操作（单周期）
          • 乘法/除法单元，最高指令发出速率为每个时钟一条32 × 16 乘法指令
          • 高速Microchip ICD 端口，具有基于硬件的非侵入式数据监视和应用程序数据流功能
          • EJTAG调试端口，支持广泛的第三方调试、编程和测试工具
          • 指令控制的功耗管理模式
          • 5 级流水线指令执行
          • 内部代码保护，以帮助保护知识产权
          2）如图4-1电平转换电路原理图，实现3.3V到5V的电平转换，实现RS232通信。
           

       

        图4-1 电平转换电路原理图

         

       

•                                          技术特点：
  
  

          ◆　直接嵌入用户系统，不必了解USB协议　　
          ◆　兼容大容量U盘　　
          ◆　支持USB2.0接口协议 　　
          ◆　多种RS232串口波特率：115200/9600bps等 　　　
          ◆　支持文件系统： FAT32 　　
          ◆　直接创建Word、 Excel、二进制等各种类型文件 　　
          ◆　能对文件及文件目录进行创建、更名、删除及移动等操作
           
          5软件流程介绍

       

          总结

        本设计建立了基于PIC32的嵌入式USB主机系统，该系统实现了USB协议中的Mass Storage类协议和精简的FAT文件系统，能够对U盘中的文件数据进行读写，完成相应的文件操作等各种功能。 该系统能真正实现了便携式，摆脱了PC机对USB设备的控制，无需PC主机即可对USB设备进行读写操作，在嵌入式系统领域将有着很广泛的应用前景。例如：

        ◆嵌入式仪器、设备将采集到的数据存储到U盘，异地进行分析。

        ◆嵌入式产品可以通过USB接口随时更新软件系统，获得最新数据。如可以在自动贩卖机、自动售票机上及时更新货物、票据的品种价格等信息。

李小路

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