引言

变 频空调在调试运行过程中，室内机与室外机之间会通过异步串口进行大量的数据通讯，这些数据对研究系统运行情况是非常重要的，因此必须把这些数据存储下来。此前，我们只能使用电脑通过人工操作的方式记录数据，而空调的测试需要在许多温度、湿度等外界因素不同的环境下进行，如果分别派专人去这些地方测试显然是不可取的，因此在系统调试过程中，如何有效地记录、分析数据就成为了一件非常困难的事。

就 这一难题决定开发一个专门用来存储数据的系统，这一系统应具备如下特点：

1、使用常用的接口与主设备相连，使该系统具有可移植性。

2、可以存储大量的数据，并且使用较为常用的存储方式，数据存储的形式应便于数据分析。

3、数据存储过程不需要人为的干预，在出现异常情况时，系统应有一定的电路保护和数据保护能力。

系统结构

经过对该系统特点的研究，从数 据存储的实用性出发，决定采用当 前使用较多的U盘作为数据存储的介质。U盘以体积小、容量大、使用方便灵活等优点得到广泛应用，它不仅能够存储数量较大的数据，满足对大量存储的要求，而且能够让我们方便地在PC机上分析数据，因此使用U盘存储数据是最佳的解决方案；在数据通讯方面，采用通用串口与主设备相连来获取数据，这是一种常用的通讯方式，可以方便灵活地与其他系统相连；为了提高数据的安全性，还要加入断电保护模块，使系统在出现异常的情况下能够主动存储数据，防止数据的丢失；为了避免频繁的读写U盘，确保数据安全，加入一定容量的存储器也是非常必要的。系统结构如图1所示。

图 1 数据存系统结构(略)

硬件组成及功能

根据系统结构框图，综合分析了系统对硬件的要求，选定各模块硬件如下：

主控芯片W78E365及内存芯片

HM62256

W78E365是伟邦公司生产的一款8位单片机，完全兼容8052系列的单片机，它内置了64k的程序存储空间，1k的内部RAM，4组8位的双向I/O口，3个16位的定时计数器，一个全双工异步串行通讯口等。

由于U盘存储过程中要进行临时数据的读写操作，主CPU内部提供的1k容量的RAM是远远不够的，因此需要扩大容量的内存。HM62256是一款32k字节的RAM，其容量足以满足要求，可大大加快数据的存储速度。HM62256与主CPU的连接采用总线连接方式，地址总线16位，数据总线8位，其中地址总线的低8位与数据总线是复用的，因此要使用地址锁存器74HC573，并把ALE作为锁存器的使能信号；由于总线上还要接SL811HST，所以还要有一个选通信号来控制HM62256和SL811HST的使用，而HM62256的容量是32k字节，使用15条地址总线就可以了，所以在这里使用地址总线的A15引脚作为HM62256和SL811HST的选通信号，分时使用这两个芯片。原理图如图2所示。

图 2 CPU与内存连接图(略)

USB主控芯片SL811HST

SL811HST是CYPRESS公司生产的USB主/从控制芯片，它既可以当作USB主控芯片使用，又可以作从控芯片使用，在两种模式下通讯速度均可达到低速1.5Mbps,全速12Mbps，且可以自动检测设备速度；支持暂停/恢复、唤醒及低能耗模式，自动产生SOF和CRC5/16；8位双向I/O口，用12MHz或者48MHz晶振及有源晶振。

在本设计中，我们主要使用SL811HST的主控功能，在该模式下，SL811HST提供了16个寄存器，通过这些寄存器就可以方便地控制它与U盘之间的通讯。SL811HST与W78E365的硬件连接如图3所示。图中J1为3针跳线，用来切换SL811HST的主/从功能，使它也可工作在从模式下；J2为主模式下的USB接口，J3为从模式下的USB接口；本设计采用48M有源晶振作为其时钟源，提供更准确的时钟信号，且提高系统的稳定性；由于SL811HST的外部中断为高电 平有效，而W78E365的外部中断为低电平有效，因此在两个中断引脚之间要加入反相器74HC00，同时它还可作为信号缓存来使用；片选信号 /CS由A15和/CS SL811共同控制，实现对SL811HST的选通。

图 3 SL811HST硬件连接（略）

数据保护模块

数据保护模块采用了ATMEL公司生产的24c256，该芯片是一款32k字节存储空间的EEPROM，使用两线串行接口（I 2 C）进行数据通讯，可一次性写入64字节的数据，是常用的数据存储芯片。因其具有掉电不丢数据的特点，在本设计中把它作为重要数据的临时存储器来使用，保证数据即使在断电的情况下也不会丢失，提高了数据存储的安全性，同时为了避免频繁的读写U盘，该模块还可作为数据缓存来使用。原理图如图4所示。

图 4 24c256的硬件连接（略）

电源转换及断电保护

该系统需要使用5V和3.3V电压，而外部提供的电压为8V左右，这时就需要电源转换芯片7805将8V转换成5V，再使用LT1587-3.3将5V转成3.3V，其接法如图5所示。

图 5 电源转换及断电保护（略）

为防止突然断电造成的无法及时存储数据，还加入了断电保护电路。图中的LM193是保护电路的核心部件，它是一款电压比较芯片，在它的“+”端接入外部输入电压，“?”端与系统电压5V相连，并使“+”端电压略高于“?”端电压，此时LM193输出端为高电平；当外部电压突然消失的时候，由于在电压转换芯片之前接入了较大的电容和电感，使得LM193两输入端的电压变化率差别很大，“?”端电压很快就会高于“+”端电压，此时LM193将会输出低电平，从而在CPU外部中断引脚上产生中断信号，收到中断的CPU就会做出相应动作，在系统电压仍保持在正常区间的这段时间里把数据存储完毕。

软件部分

该系统的软件编写涉及内容较多，除了一些对芯片寄存器的操作外，还包括许多海量存储设备类（Mass Storage Class）的规范、USB（Universal Serial Bus）设计规范、磁盘 数据结构和FAT文件系统等，这些标准、规范的内容比较复杂，涉及面广泛，但是对设计U盘数据存储是必不可少的，因此必须要进行深入研究。

USB海量存储设备类规范

海量存储设备类规范包括四个独立的子类规范，本设计中所使用的U盘遵循Bulk-Only传输协议和UFI命令规范。

设备插入到USB后，USB即对设备进行搜索，并要求设备提供相应的描述符。在USB Host得到上述描述符后，即完成了设备的配置，识别出为Bulk-Only的Mass Storage设备后即进入Bulk-Only传输方式。在此方式下，USB与设备间的所有数据均通过Bulk-In和Bulk-Out来进行传输，不再通过控制端点传输任何数据。在这种传输方式下，有三种类型的数据在USB和设备之间传送：CBW、CSW和普通数据。CBW（Command Block Wrapper，即命令块包）是从USB Host发送到设备的命令，命令格式遵从SCSI传输命令集。USB设备需要将SCSI命令从CBW中提取出来，执行相应的命令，完成以后，向Host发出反映当前命令执行状态的CSW（Command Status Wrapper），Host根据CSW来决定是否继续发送下一个CBW或是数据。Host要求USB设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定数据传送出去，完毕后发出CSW，以使Host进行下一步的操作。
程序流程见图6。

图 6 程序流程图(略)

结束语

该存储系统可以在无人看守的情况下自动记录数据；使用异步串口作为通讯接口，具有较好的可移植性；电源保护及数据保护模块的设计让数据存储变得安全、稳定。本文主要针对硬件结构及软件框架给出了U盘数据存储系统的设计方案，着重讲述了硬件连接原理及数据存储规范，解决问题的同时也为开发者的进一步研究打下了基础。