摘要：本文旨在设计一种利用USB主控制U盘作为移动存储器的大容量数据采集系统。该系统基于CH375S USB主/从控制芯片，遵循大容量存储设备类规范中的BulkOnly和UFI子规范，支持FAT16文件系统。通过这种方式，我们实现了可用于数据采集的U盘与计算机之间的交互，并配备液晶屏和外扩键盘，以便在不依赖PC的情况下实时显示采集数据并查看指定区域内的数据。
关键词： CH375S, USB-Host, 数据采集系统, Mass-Storage类, FAT16 文件系统
引言随着移动存储技术的不断发展，在嵌入式系统中实现USB主机功能以便利用USB存储设备进行数据存储已变得越来越迫切。U盘作为新型移动存储设备，因其体积小、速度高、抗震动、通用性强等特点而受到了广泛青睐。在此背景下，本文将探讨如何开发出嵌入式USB主机控制U盘作为数据存储器，这将具有很好的实用价值和应用前景。
USB大容量存储设备协议分析
为了设计一个能直接读写U盘的嵌入式USBHost，我们必须理解USB大容量存储设备协议。目前，软件结构如图所示。
图中虚线左边部分是主机驱动程序结构，也是嵌入式USBHost要实现的部分。这一层提供给用户访问存储设备的方法。由于所有数据都是以文件格式保存，因此FAT16因其高度兼容性而被广泛应用于移动存储设备中。在这里，我们将简要分析一下FAT16文件系统结构以及它对空间组织原则的一些影响。
（1） FAT16文件系统结构
磁盘可以分为五个主要部分：MBR区、DBR区、FAT区、FDT区和DATA区。
MBR区包括64字节DPT，但由于不需要启动，从未出现过；DBR区是操作系统引导记录；FAT 区包含了全部簇号列表，每个表项单元为16位；备份扇区后跟随的是32扇區大小（512字节）的目录项线性构成，其中记录根目录下每个文件或子目录起始单元及属性等信息；最后的是真正意义上的DATA区域，即实际使用空间位于这个分区后的硬盘上，大部分占据磁碟空间。
（2） FAT16 的 存 储 空 间 组织 原 则
当磁碟空间格式化为 F AT 分 区 时，将整个分 区 视作整块可分配区域进行规划，以便于各种不同的需求。此时,FAT 将 磁 碟 空 间 以 确 定 数 目 扇 节 为 单 位 进 行 划 分 这 种 单 位 称 为 簇 通 常情况下，每扇區512字節原则是不变之谜。簇通常设定为2^n（n为整数）个扇區大小，每簇最大可达32 KB逻辑块LBA寻址方式常见于各类固态驱动器及闪光记忆卡等，如同SD卡那样简单易用且效率极高，不但提高了传输速率，还减少了电池消耗使得它们更适合于手持电子产品中使用。
图虚线左边中间的是 UFI/ATA 驱动层，将应用程序访问转换成 UFI 或 ATA 命令 / 数据 格 式 与 外部 存 储 设 夸 交 换 按 照 子 规 范 U FI 或 ATA 的 定 义 进 行 命令 / 状态 / 数据 交 换 最底层则负责将上层 UFI/ATA 数据发送到总线上以及接收从外部返回状态/data.
CBI/BulkOnly/ATA/UFI 是 USB Mass Storage 类规范中四种独立子规范简称名分别代表四种不同类型传输方法 BulkOnly仅使用Bulk端点传送命令/data/state; CBI 三种端点类型同时参与; 后两个定义了操作命令:
嵌入式 USB - Host 设计
2.1 硬件设计 本方案采用增强型8051内核STC89C516RD+单片机与南京沁恒电子公司生产的一款符合USDIF标准，支持全速模式工作且具备Mass-Stroage-Class接口能力CH375S作为核心组件之一，它是一款符合USDIF标准，支持全速模式工作且具备Mass-Stroage-Class接口能力，使得我们能够轻松地挂接到任何微处理器或数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)/多处理器(MPU)等微处理平台上运行，与之配合有32KB RAM用于读写大批次带宽较高的事务流程，有助提高效率，所以选取这两款优质组件确保我们的项目能够达到最佳性能水平保证良好的稳定性兼顾成本效益。而对于内部RAM来说，因为只需频繁访问，而不是需要大量内置缓冲，可以选择1280 字节RAM即可满足要求，同时考虑到可能需要I/O扩展功能，因此选择了一张额外2560字节RAM模块来增加灵活性的可能性，但没有安装至硬件板上，只是在软件配置阶段预留位置待未来升级加入时再决定是否添加以降低初始成本并提升灵活度;
然而，由于读写U盤時一般都是以扇區為單位進行讀寫，因此必須加設磁碟資料緩衝區與檔案資料緩衝區，這兩個緩衝區都應該為512個字節整數倍，並且緩衝區越大執行效率越高所以選擇增加額外32KB RAM來儲存在這兩個緩衝區內減少CPU負載並提升系統性能從而達到最大的實際效果。
软件设计 CH375S不僅是一種通用的 USDIF 主機硬體介面晶片，它還內建了一個處理傳輸協議與管理海量儲憶設備通信協議固態驅動子的專門通信協議處理者，並支援Bulk-only傳輸協議與SCSI/Ufi/RBC或等價命令集所需對應指令類別，可將複雜操作簡化並加快系統運算速度，這樣就讓我們可以將注意力集中於設計一個簡單有效的人機界面，而無需深究進一步細節細節。
4 结论 在本文提出了一种基于CH375S USB Host的大容量数据采集 系统，该解决方案结合了现有的工控嵌入式技术，为物品追踪提供了解决方案。本方法通过创新的硬件布局与优化软件算法，使得我们可以在无需连接PC的情况下实现实时显示和指定区域内查看，这极大的方便用户操作，并提高了工作效率。此外，该解决方案还展示了如何通过合适选择组件，以及精心编程来应对复杂任务，从而证明它是一个值得推广的人工智能工具体系架构模型。不仅如此，该解决方案还可以根据具体需求进一步改进，以适应更多场景下的物品追踪需求，为工业自动化领域带来了新的启示。
