基于CH375对U盘的读写的毕业设计.doc

湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 课题：基于单片机和 CH375 的 U 盘读写控制器 专业（系） 电气工程系 班 级 智能电子 081 班 学生姓名 李小利 指导老师 粟慧龙 完成日期 2010-11-26 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 20112011 届毕业设计任务书届毕业设计任务书 一、课题名称：基于单片机和 CH375 的 U 盘读写控制器设计 二、指导教师：粟慧龙 三、设计内容与要求 1、课题概述 随着计算机技术的快速发展，USB 存储设备的使用已经非常的广泛，随着 USB 规 汇范的完善和成熟，USB 外设和的各类不断丰富，应用领域也不断扩大。在传统的应 用中，USB 主要是 PC 扮演着主机的角色。根据 USB 的规范，可以看到 USB 的拓朴结 构中居核心地位的是主机，每一次数据传输必须由主机发起和控制。但是随着单片机 技术的发展，以及单片机应用领域的日益增长，USB 外设的应用也随之扩大，为此在 单片机系统中实现对 USB 外设控制也变得日益迫切。尤其在一些需要转存数据的设 备、仪器上提供能够使用 USB 移动储存设备的接口已经变得非常有必要。本课题的研 究目标是：基于单片机和 USB 总线接口芯片 CH375，设计一个可嵌入到相关设备上的 U 盘读写控制器，以实现对设备、仪器相关数据的存储。 2、本课题的主要研究内容如下： 1、基于单片机和 CH375 器件的系统电路的研究； 2、FAT16 和 FAT32 文件系统的研究，以及文件系统的自动识别、切换； 3、U 盘的插入和拔出检测； 4、文件的打开、读取、写入、创建、删除； 5、目录的创建和删除，支持多级目录； 6、长文件名、长目录名支持。 四、设计参考资料 参考文献： 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 1、CH375 器件使用手册 2、FAT16 和 FAT32 文件系统 3、 单片机高级教程，何立民，北京航空航天大学出版社，2000 年。 4、 单片机的 C 语言应用程序设计，马忠梅，北京航空航天大学出版社， 5、 计算机控制系统，清华大学出版社。 6、孙霞 基本单片机的大容量数据存储技术的应用研究 微计算机信息 2006 7、张峰峰 嵌入式 U 盘读写器接口技术和系统设计 桂林电子科技大学 2007 8、杨全玖 基本 CH375 多通道 USB 接口与 PC 机通信的实现微计算机信息 2007 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 1 摘 要 介绍了一种USB总线的通用接口芯片CH375，并在此基础上提出了一种外部单片机 读写U盘的基本方法及其硬件连接方法。单片机只要在原硬件系统中增加1个CH375芯 片就可以直接调用CH375提供的子程序库来直接读取U盘中的数据，从而实现了普通单 片杌与U盘的通讯、方法简单、便于操作、综合成本比较低，具有较大的推广应用价 值。 关键词：U盘；CH375；接口芯片；单片机 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） 1 Abstract A general purpose interface chip CH37 5 for USB is introduced in this paperBased On which a new method of Using external single chip microcomputer to connect with the flash disk is givenOnly add one CH375 chip to the single chip microcomputer s hardware system，the operator can use the program given by the CH375 to read the data from the flash disk and realize the communication between the single chip microcomputer and the flash diskThis method is very simple and can be operated easily Keywords：USB；CH375；interface chip；single chip microcomputer 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 1 - 目 录 摘摘 要要I ABSTRACT II 目目 录录.- 1 - 第一章第一章 绪绪 论论.- 3 - 第二章第二章 总体方案设计与选择论证总体方案设计与选择论证.- 4 - 2.1 总体设计分析.- 4 - 2.2 功能模块方案设计选择.- 4 - 2.2.1 MCU的选择.- 4 - 2.2.2 CH375工作方式方案选择.- 5 - 2.2.3电源选择.- 6 - 2.3 系统方框图.- 7 - 第三章第三章 硬件设计分析硬件设计分析.- 7 - 3.1 STC12C5A60AD 单片机最小系统电路 .- 7 - 3.1.1 电路分析- 9 - 3.1.2 STC12C5A60AD单片机简介.- 10 - 3.1.3 7805三端正电源稳压电路- 12 - 3.2 CH375 接口电路 - 13 - 3.2.1 电路分析- 13 - 3.2.2 USB总线的通用接口芯片CH375资料简介.- 14 - 3.3 串口电平转换电路.- 15 - 3.3.1 电路分析- 15 - 3.3.2 MAX232资料简介- 16 - 3.4 按键控制模块- 17 - 3.5 LED 显示模块- 17 - 第四章第四章 软件设计分析软件设计分析.- 17 - 4.1 主程序模块- 17 - 4.3 通信模块.- 17 - 4.4 按键模块- 18 - 4.5 串口模块- 18 - 4.6 U 盘操作.- 19 - 第五章第五章 方案的测试与分析方案的测试与分析.- 20 - 5.1 显示模块调试.- 20 - 5.2 按键模块调试.- 20 - 5.3 电源模块调试.- 20 - 5.4 串口模块调试.- 20 - 第六章第六章 总结总结.- 21 - 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 2 - 参考文献参考文献.- 22 - 致谢致谢.- 23 - 附录附录.- 24 - 总原理图.- 24 - 电路 PCB 图.- 25 - 元器件清单.- 26 - 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 3 - 第一章 绪 论 随着计算机技术的快速发展，USB（Universal Serial Bus）存储设备的使用 已经非常普遍，USB 用于将适用 USB 的外围设备(device)连接到主机(host)，实现 二者之间数据传输的外部总线结构；是一种快速、灵活的总线接口。它最大的特点 是易于使用，主要是用在中速和低速的外设。随着 USB 规范的完善和成熟，USB 外 设的种类不断丰富，应用领域也不断扩大。在传统的应用中，主要是 PC 扮演着主 机的角色。根据 USB 的规范，可以看到在 USB 的拓朴结构中居于核心地位的是主机， 每一次的数据传输都必须由主机发起和控制。但是随着单片机产品应用领域的日益 增长，USB 外设的应用范围也随之扩大，为此在单片机系统中实现对 USB 外设控制 也变得日益迫切。因此在一些需要转存数据的设备，仪器上使用 USB 移动存储设备 接口的芯片便相继产生了，CH375 就是其中之一，它是一个 USB 总线的通用接口芯 片，支持 HOST 主机方式和 SLAVE 设备方式。 如今的 USB 就象当日的 R232，最终发展必是业界的主流外设接口技术。USB 有 着其它接口不可替代的优势。 随着 USB 技术的发展，计算机的移动存储介质普遍采用 U 盘或移动硬盘。 如今，USB 技术已经越来越普及和成熟，低成本、高稳定性、较高的数据传输 速率和即插即用的方便性，使其备受硬件厂商的青睐。随着数据采集和单片机用户 对移动存储的需求越来越大，具有 USB 接口的存储设备以其优异的性价比和灵活性 常用来进行数据的存储和交换，所以在单片机系统中实现对优盘或移动硬盘的直接 读写是非常有价值的。 介绍了一种 USB 总线的通用接口芯片 CH375，并在此基础上提出了一种外部单 片机读写 U 盘的基本方法及其硬件连接方法。单片机只要在原硬件系统中增加 1 个 CH375 芯片就可以直接调用 CH375 提供的子程序库来直接读取 U 盘中的数据，从 而实现了普通单片机与 U 盘的通讯、方法简单、便于操作、综合成本比较低，具有 较大的推广应用价值。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 4 - 第二章 总体方案设计与选择论证 2.1 总体设计分析 基于单片机和 CH375 的 U 盘读写控制器应用了单片机 STC12C5A60AD、 CH375 接口电路、串口电平转换电路、LED 显示电路、按键控制等模块。 整个系统采用 9V 电源供电通过三端稳压电路 7805 输出 5V 稳定的直流电压供 给开发板使用。该项目使用电平转换电路将单片机发出的 TTL 电平转换为 RS232 电平从而使 RS-232 接口与计算机连接，进行数据传送，单片机通过 USB 总线的通 用接口芯片 CH375 直接对 U 盘进行读写等操作，并使 LED 显示模块做出相应的指示。 2.2 功能模块方案设计选择 2.2.1 MCU 的选择 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换 器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 方案一：方案一：AT89s51 AT89S51 是一个体积小、低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含有中断、定 时/计数器且 I/O 口数相对较多，价钱相对也比较便宜，但存储空间不是非常大， 只有 4kB 的可反复擦写程序存储器，而本次的设计需要大量的存储空间。 方案二：方案二：STC12C5A60ADSTC12C5A60AD STC12C5A60AD 单片机是高速/ 低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指 令代码完全兼容传统 8051。且 I/O 口数比 AT89S51 多。价钱虽然比较昂贵，但存 储空间非常大，可以到达 60K。而本次的设计正需要此容量的空间。 由于AT89s51程序存储空间只有4KB，不能满足此项目的要求，比较这两种我 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 5 - 们选用STC12C5A60AD 2.2.2 CH375 工作方式方案选择 方案一：并口方式方案一：并口方式 CH375 的 TXD 引脚通过 1K 左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使 CH375 工作于并口方式。CH375 芯片具有通用的被动并行接口，可以直接连接多种 单片机、DSP、MCU 等。在普通的 MCS-51 系列单片机的典型应用电路中，CH375 芯 片可以通过 8 位被动并行接口的 D7D0、-RD、-WR、-CS、A0 直接挂接到单片机 U2 的系统总线上。 方案二：串口方式方案二：串口方式 如果 CH375 芯片的 TXD 引脚悬空或者没有通过下拉电阻接地，那么 CH375 工作于串口方式。在串口方式下，CH375 只需要与单片机/DSP/MCU 连接 3 个信号 线，TXD 引脚、RXD 引脚以及 INT#引脚，其它引脚都可以悬空。除了连接线较少 之外，其它外围电路与并口方式基本相同。 为了提高单片机对 U 盘的读写速率，选用 CH375 工作于主机方式下的并口方式。 2.2.3 电源选择 电源模块是单片机应用系统或数据采集系统中不可缺少的部分，也是保证系统 稳定、安全工作的前提。本设计中用到的是正 5V 的直流稳压电源。 方案一方案一：采用串联反馈式稳压电路获得直流稳压电源。该电路由比较放大电路、 稳压管、三极管、限流电阻及两个取样电路组成，此电路由主回电路式起调整作用 的 BJTT 与负载串联而得名的。但它的输出电源不可能绝对稳定的，只能是基本稳 定，且负载电流较大时，调整管的集电极损耗大，电源效率低，有时还要配有庞大 的散热装置。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 6 - 方案二方案二：本设计用到的电源为 5V，属于中小功率稳压电源，所以可以采用三 端稳压芯片 LM7805。用其设计的是线性稳压电路，具有结构简单、输出电压稳定 性强、文波电压小等优点，但是，在负载电流较大且输出电压较低时，其自身的功 耗很大。但如果给本系统供电，完全满足要求。 为了获得更加稳定的电源，选用线性稳压。 2.3 系统方框图 MCU CH375 按键输入模块电源模块 RS232 串口电平转换 LED 显示模块 第三章 硬件设计分析 硬件电路主要分为单片机最小系统、CH375 接口电路、串口电平转换电路、按 键控制模块、LED 显示电路组成。 USB 模块 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 7 - 3.1 STC12C5A60AD 单片机最小系统电路 MCU 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 8 - 时钟电路 复位电路 电源模块 3.1.1 电路分析 单片机最小系统由 MCU、时钟电路、复位电路和电源模块组成。 MCUMCU：单片机 P0.0P0.7 连接到 CH375 的 8 位双向数据总线 D0D7，25 脚至 31 脚接到显示电路，5 脚至 8 脚接到按键控制电路。 时钟电路时钟电路： STC12C5A60AD使用22.1184MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单 片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量为 30P。单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一 切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 复位电路复位电路：复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。复位电平的持续时间 必须大于单片机的两个机器周期。 （1）上电复位：此单片机为高电平复位，在复位引脚 RST 上连接一个电容 C8 到 VCC，再连接一个电阻 R29 到 GND，由此形成一个 RC 充放电回路保证 单片机在上电时 RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进 入正常工作状态，这个电阻和电容的值为 10K 和 10uF。 （2）按键复位：在复位电容C8上并联一个开关，当开关Srst按下时电容C8被 放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电会保持一段时间的高电平来使单 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 9 - 片机复位。 电源模块电源模块：电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。此最小系统中 的电源模块的电源使用外部稳定的5V电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指 示D1， R40为LED的限流电阻。 3.1.2 STC12C5A60AD 单片机简介 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/ 机器周期(1T)的 单片机，是高速/ 低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容 传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。 3.1.3 7805 三端正电源稳压电路 7805 是三端正电源稳压电路，它的封装形式为 T0-220，最大输出电流为 1.5A，输出电压为 5V。它 有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。每种由 于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保 护，使用起来可靠、方便， 而且价格便宜 。78XX 系列集成稳压 IC 型号中的 78 后面的数字代表该三 端集成稳压电路的输出电压 ，如 7805 表示输出电 压为正 5V。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 10 - 3.2 CH375 接口电路 3.2.1 电路分析 CH375与单片机的连接电路。CH375 的TXD引脚通过10K的下拉电阻R43接地，从 而使CH375 工作于并口方式。 USB 总线包括一对5V 电源线和一对数据信号线，通常，+5V 电源线是红色， 接地线是黑色，D+信号线是绿色，D-信号线是白色。USB 插座P1 可以直接连接USB 设备，也可以在提供给USB 设备的+5V 电源线上串接具有限流作用的电阻 R2、R3，USB 电源电压必须是5V。 电容C1、C2用于外部电源退耦，C2 是容量为0.1F的独石或高频瓷片电容。 电容C3 用于CH375 内部电源节点退耦，C3 是容量为0.01F 的独石或高频瓷 片电容，如果对EMI 没有要求那么可以省掉C3。 晶体XTAL1、电容C6 和C7 用于CH375 的时钟振荡电路。USB-HOST 主机方式要 求时钟频率比较准确，XTAL1 的频率是12MHz0.4，C6 和C7 是容量约为15pF 的独石或高频瓷片电容。 如果电源上电过程较慢并且电源断电后放电时间较长，那么CH375将不能可靠 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 11 - 复位。可以在RSTI引脚与VCC 之间跨接一个容量为0.47F 的电容C5，同时可以减 少干扰。 3.2.2 USB 总线的通用接口芯片 CH375 资料简介 CH375 是一个 USB 总线的通用接口芯片，支持 USB-HOST 主机方式和 USB- DEVICE/SLAVE 设备方式。单片机只要在原硬件系统中增加 1 个 CH375 芯片就可 以直接调用 CH375 提供的子程序库来直接读取 U 盘中的数据，从而实现了普通单 片机与 U 盘的通讯。 在本地端，CH375 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可 以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。在 USB 主机方式下， CH375 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机 /DSP/MCU/MPU 等相连接。 CH375 的 USB 主机方式支持常用的 USB 全速设备，外部单片机可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议与 USB 设备通讯。CH375 还内置了处理 Mass-Storage 海量 存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用 的 USB 存储设备（包括 USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘） 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 12 - 3.3 串口电平转换电路 3.3.1 电路分析 此电路图是用来连接单片机和电脑的。有以下两种作用： (1)下载程序：单片机和主机通过此串口连接。 (2)显示内容： STC12C5A60AD 单片机时只有 P2 口能接一个数码管，数码管不能完 整的显示操作内容，为了更好的显示出对 U 盘的读写操作，决定用串口来把输出和 电脑的显示屏连接起来。 芯片 MAX232 是用标准 RS232 电平与 TTL 电平的转换，即标准 rs232 电平很 高，达正负 15V；而常用的 TTL 电平最高 5V。通常我们用的单片机是 TTL 电平 （正负 5V） ，RS-232 接口的信号电平与 TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路 方能与 TTL 电路连接。 MAX232 的 10 脚 T2IN 接单片机的 TXD 端 P3.1，TTL 电平从单片机的 TXD 端发出，经过 MAX232 转换为 RS232 电平后从 MAX232 的 9 脚 T1OUT 发出，再 经过交叉串口线连接到计算机 RXD 端，计算机接收数据。PC 机发送数据时从 PC 机串口的 TXD 端发出数据，再逆向流向单片机的 RXD 端 P3.0 接收数据。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 13 - 3.3.2 MAX232 资料简介 MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯 片,使用+5v单电源供电。 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生 +12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据 通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第 一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二 数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑 DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从 R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 3.4 按键控制模块按键控制模块 S1: 修改 S2: 删除 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 14 - S3: 关闭 S4: 创建 3.5 LED 显示模块 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 17 - 第四章 软件设计分析 软件由主模块、USB 模块、中断处理模块、按键模块和显示模块组成。各模块之 间相互协调调用，共同完成对 U 盘文件的读写创建。 4.1 主程序模块 4.3 通信模块 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 18 - 4.4 按键模块 UINT8 Scankey(void) UINT8 key; if(P1 Delay(10); if(P1 key=P1 while(P1 return(key); 4.5 串口模块 void UART_Init() PCON|=0x80; /PCON的最高位SMOD=1时波特率加倍 TMOD=0x20; /时器1为方式2 初值自动装入 产生波特率 TH1=0xfd; /定时器初始为0XFd，晶振为22.1184MHz，本函数实际产生的波 特率为38400bps TL1=0xfd; /同上 SCON=0x50; /串口设置为方式1,REN=1,允许接收 TR1=1; /启动定时器1 ES=1; /使能串口接收中断， EA=1; /打开所有中断 N 键盘扫描 S1？S3？S4？S2？ ？ 修改删除 关闭 创建 Y 结束 开始 有键按下？ 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 19 - 4.6 U 盘操作盘操作 要将单片机系统的数据导人到U盘而且能直接被计算机识别，所要做的工作有下 面几步： 1、创建文件目录CreatFile 0 即创建文件目录里的文件名、扩展名、文件 属性、时间日期、文件的开始簇号和文件长度。 2、 写文件WriteFile 0 写入新文件时。需在FAT表中查找未使用的簇，并将该簇号写入文件所对应的目录数 据结构中的文件开始簇号位置； 当文件长度大于一簇时，还需在FAT表中的对应起始 簇号位置填人下一可用簇的簇号，直到文件的最后一簇。 3、更新文件目录ModifyCatolog 0； 文件写完后， 目录数据结构里有些项可能需要更改，如文件长度等。 而将外面的数据通过USB导人到单片机系统的步骤如下： (1)搜索文件SearchFile 0 通过搜索文件目录可以找到所要读的文件的开始簇号、文件长度等重要信息。 (2)读文件ReadFile 0 读文件时。可将文件开始簇号转为扇区号并读出扇区号对应的数据，若文件长度不 止一簇，应根据前一簇号找到其链节簇。然后再将链节簇转换为扇区号并读出数据， 直到文件结束。 (3)删除文件DeleteFile 0 如果你想删除文件。只需要将该文件对应的目录数据结构置相应标志然后修改FAT 表及备份FAT表。将此文件使用的簇号位置清0来表示此簇未被使用。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 20 - 第五章 方案的测试与分析 5.1 显示模块调试 编一个流水灯程序，查看 LED 灯是否正常。 （能正确显示） 5.2 按键模块调试 编一个按键控制流水灯程序，查看按键是否能准确控制 LED 灯的闪烁或熄灭。 （能 正确控制） 5.3 电源模块调试 通过稳压电源输出 9V 再经 7805 稳压成稳定的 5V 电源供给单片机 STC12C5A60S2 ，通过电压表测量电压值。 （能测出此电压为 5V） 5.4 串口模块调试 将单片机经 MAX232 转换成串口所需电平连接到 PC 机上，查看： (1)电脑上是否有硬件连接显示。 (2)通过相应软件，能否下载。 (3)能否发送或接收数据。 湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文） - 21 - 第六章 总结 此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题， 开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修 改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。 通过这次实践，我了解了单片机读写 U 盘的用途及工作原理，熟悉了单片机读写 U 盘的设