基于单片机和CH375的U盘读写控制器毕业论文.doc

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 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 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 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 Abstract A general purpose interface chip CH37 5 for USB is introduced in this paper Based On which a new method of Using external single chip microcomputer to connect with the flash disk is given Only 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 disk This method is very simple and can be operated easily Keywords USB CH375 interface chip single chip microcomputer 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 目目 录录 I 一 绪一 绪 论论 3 二 二 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 5 2 3 系统方框图 6 三 硬件设计分析三 硬件设计分析 7 3 1 STC12C5A60AD 单片机最小系统电路 7 3 1 1 STC12C5A60AD单片机简介 8 3 1 2 STC12C5A60AD系列主要性能 10 3 1 3 7805三端正电源稳压电路 11 3 2 CH375 接口电路 12 3 2 1 USB总线的通用接口芯片CH375资料简介 13 3 2 3 功能说明 15 3 3 串口电平转换电路 18 3 3 1 MAX232 资料简介 18 3 3 2 RS 232 DB 9 20 3 4 按键控制模块 1 3 5 LED 显示模块 1 四 软件设计分析四 软件设计分析 2 4 1 软件系统模块 2 4 2 主模块 4 4 2 1单片机读写U盘文件 USB 存储设备的文件级接口 4 4 2 2 本地端的单片机软件 4 4 2 3 CH375 的U 盘文件级子程序库说明 7 4 3 USB 模块 10 4 3 2 USB协议 10 4 4 BULK 模块 10 4 4 2 BULK ONLY和UFI协议 10 4 5 FAT 模块 13 4 5 2 FAT32 13 4 6 中断处理模块 13 五 方案的测试与分析五 方案的测试与分析 14 六 六 总总 结结 14 参考文献参考文献 15 致谢致谢 16 附录附录 17 总原理图 17 电路 PCB 图 17 元器件清单 17 程序 17 一 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 5 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 4 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 12 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 6 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 二 总体方案设计与选择论证 2 1 总体设计分析 2 2 功能模块方案设计选择 2 2 12 2 1 MCUMCU 的选择的选择 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 AT89s51 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能 强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决 方案 STC12C5A60AD STC12C5A60AD 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 特点 加密性强 无法解密 超强抗干扰 速度快 1 个时钟 机器周期 可用低频晶振 大幅降低EMI 出口欧美的有力保证 输入 输出口多 最多有44 个I O 口 A D 做按键扫描还可以节省很多I O 超低功耗 掉电模式可由外部中断唤醒 适用于电池供电系统 如水表 气 表 便携设备等 在系统可编程 无需编程器 无需仿真器 可远程升级 可送STC ISP 下载编程器 1 万片 人 天 内部集成MAX810 专用复位电路 原复位电路可以保留 也可以不用 不用 时RESET 脚接1K 电阻到地 比较这两种我们选用STC12C5A60AD 2 2 22 2 2 CH375CH375 工作方式方案选择工作方式方案选择 USB 总线的通用接口芯片 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 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 CH375 芯片可以工作于 USB HOST 主机方式或者 USB 设备方式 CH375 的 USB 主机方式支持并行接口和串行接口 在 USB 主机方式下 CH375 支持各种常用的 USB 全速设备 外部单片机需要编写固件程序按照相应的 USB 协议 与 USB 设备通讯 但是对于 USB 存储设备 CH375 内置了相关协议 通常情况下 外部单片机不需要编写固件程序 就可以直接通讯 并口方式并口方式 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 D7 D0 RD WR CS A0 直接挂接到单片机 U2 的系统总线上 串口方式串口方式 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 比较这两种我们选用 CH375 工作于主机方式下的并口方式 2 2 32 2 3 电源选择电源选择 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 直流电源芯片按原理分为线性电源和开关稳压电源两种 线性电源线性电源 通过改变调整元件控制信号的强弱来调节其等效电阻值 从而稳定输出电压 特 点是纹波系数小 但效率低 一般适用于小功率的 开关稳压电源开关稳压电源 通过改变开关管的导通时间 得到稳定的电压输出 特点是纹波系数大 电磁 兼容性差 效率高 过载能力强 一般适用于太功率或要求效率高的场合 比较这两种我选择线性电源 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 USB 模块 三 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 3 1 STC12C5A60AD 单片机最小系统电路 单片机最小系统由 MCU 时钟电路 复位电路和电源模块组成 MCU 时钟电路 复位电路 电源模块 3 1 13 1 1 STC12C5A60ADSTC12C5A60AD 单片机简介单片机简介 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 STC12C5A60AD单片机 增强型 8051 CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 工作电压 STC12C5A60S2 系列工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 STC12LE5A60S2 系列工作电压 3 6V 2 2V 3V 单片机 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通8051 的 0 420MHz 用户应用程序空间 8K 16K 20K 32K 40K 48K 52K 60K 62K 字 节 片上集成 1280 字节 RAM 通用I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通8051 传统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个I O 口驱动能力均可达到20mA 但整个芯片最大不要超过55mA ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真 器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 有EEPROM 功能 STC12C5A62S2 AD PWM 无内部EEPROM 看门狗 内部集成MAX810 专用复位电路 外部晶体12M 以下时 复位脚可直接1K 电阻到 地 外部掉电检测电路 在P4 6 口有一个低压门槛比较器 5V 单片机为1 32V 误差为 5 3 3V 单片机为1 30V 误差为 3 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部R C 振荡器 温漂为 5 到 10 以内 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部R C 振荡器还是外部晶体 时钟 常温下内部R C 振荡器频率为 5 0V 单片机为 11MHz 15 5MHz 3 3V 单片机为 8MHz 12MHz 精度要求不高时 可选择使用内部时钟 但因为有制造误差和温漂 以实际测试为 准 共4 个16 位定时器 两个与传统8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器T0 和T1 没有定时器2 但 有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2 路PCA 模块可再实现2 个16 位定时器 2 个时钟输出口 可由T0 的溢出在P3 4 T0 输出时钟 可由T1 的溢出在 P3 5 T1 输出时钟 外部中断I O 口7 路 传统的下降沿中断或低电平触发中断 并新增支持上升沿中 断的PCA 模块 Power Down 模式可由外部中断唤醒 INT0 P3 2 INT1 P3 3 P3 4 T0 P3 5 T1 P3 0 RxD CCP0 P1 3 也可通过寄存器设置到P4 2 CCP1 P1 4 也可通过寄存器设置到 P4 3 PWM 2 路 PCA 可编程计数器阵列 2 路 也可用来当2 路D A 使用 也可用来再实现2 个定时器 也可用来再实现2 个外部中断 上升沿中断 下降沿中断均可分别或同时支持 A D 转换 10 位精度ADC 共8 路 转换速度可达250K S 每秒钟25 万次 通用全双工异步串行口 UART 由于STC12 系列是高速的8051 可再用定时器或 PCA 软件实现多串口 STC12C5A60S2 系列有双串口 后缀有S2 标志的才有双串口 RxD2 P1 2 可通过 寄存器设置到P4 2 TxD2 P1 3 可通过寄存器设置到P4 3 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 封装 PDIP 40 LQFP 44 LQFP 48 I O 口不够时 可用2 到3 根普通I O 口线外接 74HC164 165 595 均可级联 来 扩展I O 口 还可用A D 做按键扫描来节省I O 口 或用双CPU 三线通信 还多了 串口 3 1 23 1 2 STC12C5A60ADSTC12C5A60AD 系列主要性能 系列主要性能 高速 1 个时钟 机器周期 增强型8051 内核 速度比普通8051 快8 12 倍 宽电压 5 5 3 3V 2 2 3 6V STC12LE5A60S2 系列 低功耗设计 空闲模式 掉电模式 可由外部中断唤醒 工作频率 0 35MHz 相当于普通8051 0 420MHz 时钟 外部晶体或内部RC 振荡器可选 在ISP 下载编程用户程序时设置 8 16 20 32 40 48 52 56 60 62K 字节片内Flash 程序存储器 擦写次数10 万 次以上 1280 字节片内RAM 数据存储器 芯片内EEPROM 功能 擦写次数10 万次以上 ISP IAP 在系统可编程 在应用可编程 无需编程器 仿真器 8 通道 10 位高速ADC 速度可达250K S 2 路PWM 还可当2 路D A 使用 2 通道捕获 比较单元 PWM PCA CCP 也可用来再实现2 个定时器或2 个外部中断 支持上升沿 下降沿中断 4 个16 位定时器 兼容普通8051 的定时器T0 T1 2 路PCA 实现2 个定时器 可编程时钟输出功能 T0 在P3 4 输出时钟 T1 在P3 5 输出时钟 BRT 在P1 0 输出时钟 硬件看门狗 W D T 全双工异步串行口 UART 兼容普通8051 的串口 先进的指令集结构 兼容普通8051 指令集 有硬件乘法 除法指令 通用I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通8051 传统 I O 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个I O 口驱动能力均可达到20mA 但整个芯片最大不得超过55mA RST 复位脚1K 电阻接地即可 EX LVD 是外部低压检测比较器 不用的I O 口 浮空即可 使用LQFP48 封装时 最多有44 个I O 口 使用LQFP44 封装时 最多有40 个I O 口 使用PDIP40 封装时 最多有36 个I O 口 3 1 33 1 3 78057805 三端正电源稳压电路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 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 如果能够提供足够的散热片 它们就能够提供大于 1 5A 的输出电流 虽然是按照固定值来设计的 但是当接入 适当的外部器件后 就能够获得各种不同的电压和电流 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 特点 最大输出电流为 1 5A 输出电压为 5V 热过载保护 短路保护 输出晶体管安全工作区保护输出晶体管安全工作区保护 3 2 CH375 接口电路 这是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C2用于外部电源退耦 C2 是容量为0 1 F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 01 F 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12MHz 0 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 复位 可以在RSTI引脚与VCC 之间跨接一个容量为0 47 F 的电容C5 同时可以减 少干扰 3 2 1 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 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 特点 全速USB HOST 主机接口 兼容USB V2 0 外围元器件只需要晶体和电容 全速设备接口 完全兼容CH372 芯片 支持动态切换主机与设备方式 主机端点输入和输出缓冲区各64 字节 支持常用的12Mbps 全速USB 设备 支持USB 设备的控制传输 批量传输 中断传输 自动检测USB 设备的连接和断开 提供设备连接和断开的事件通知 内置控制传输的协议处理器 简化常用的控制传输 内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议 支持Bulk Only传输协议和 SCSI UFI RBC 或等效命令集的USB 存储设备 包括USB 硬盘 USB 闪存盘 U 盘 通过U 盘文件级子程序库实现单片机读写USB 存储设备中的文件 并行接口包含8 位数据总线 4 线控制 读选通 写选通 片选输入 中断输 出 串行接口包含串行输入 串行输出 中断输出 支持通讯波特率动态调整 支持5V 电源电压和3 3V 电源电压 CH375A 芯片还支持低功耗模式 采用SOP 28 封装 可以提供SOP28 到DIP28 的转换板 封装及引脚说明 3 2 33 2 3 功能说明功能说明 3 2 3 13 2 3 1 一般说明一般说明 CH375 芯片可以工作于USB HOST 主机方式或者USB 设备方式 CH375的USB 主机方式支持并行接口和串行接口 在USB主机方式下 CH375支持 各种常用的USB全速设备 外部单片机需要编写固件程序按照相应的USB协议与USB 设备通讯 但是对于USB 存储设备 CH375 内置了相关协议 通常情况下 外部单 片机不需要编写固件程序 就可以直接通讯 3 2 3 23 2 3 2 本地端的硬件本地端的硬件 CH375 芯片在本地端提供了通用的被动并行接口和点对点的串行接口 并行接口并行接口 并口信号线包括 8 位双向数据总线 D7 D0 读选通输入引脚 RD 写选通输 入引脚 WR 片选输入引脚 CS 中断输出引脚 INT 以及地址输入引脚 A0 通过被 动并行接口 CH375 芯片可以很方便地挂接到各种 8 位单片机 DSP MCU 的系统 总线上 并且可以与多个外围器件共存 CH375 芯片的 RD 和 WR 可以分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输 出引脚 CS 由地址译码电路驱动 用于当单片机具有多个外围器件时进行设备选 择 INT 输出的中断请求是低电平有效 可以连接到单片机的中断输入引脚或者普 通 I O 引脚 单片机可以使用中断方式或者查询方式获知中断请求 当 WR 为高电平并且 CS 和 RD 及 A0 都为低电平时 CH375 中的数据通过 D7 D0 输出 当 RD 为高电平并且 CS 和 WR 及 A0 都为低电平时 D7 D0 上的数 据被写入 CH375 芯片中 当 RD 为高电平并且 CS 和 WR 都为低电平而 A0 为高电 平时 D7 D0 上的数据被作为命令码写入 CH375 芯片中 串行接口串行接口 串行接口只能用于USB 主机方式 CH375 芯片的USB 设备方式不支持串口 串口信号线包括 串行数据输入引脚RXD 串行数据输出引脚TXD 中断输出引 脚INT 通过串行接口 CH375 可以用最少的连线与单片机 DSP MCU 进行较远 距离的点对点连接 CH375 芯片的 RXD 和 TXD 可以分别连接到单片机的串行数据输出引脚和串行数 据输入引脚 INT 输出的中断请求是低电平有效 用于通知单片机 CH375 的串行数据格式是 1 个起始位 9 个数据位 1 个停止位 其中前 8 个 数据位是一个字节数据 最后 1 个数据位是命令标志位 第 9 位为 0 时 前 8 位的 数据被写入 CH375 芯片中 第 9 位为 1 时 前 8 位被作为命令码写入 CH375 芯片中 CH375 的串行通讯波特率默认是 9600bps 单片机可以随时通过 SET BAUDRATE 命 令选择合适的通讯波特率 其它其它 在 CH375 芯片的复位期间 TXD 引脚用于选择通讯接口 如果 CH375 在复位 期间检测到 TXD 引脚为低电平则启用并行接口 否则启用串行接口 如果启用串行 接口 那么复位完成后 TXD 引脚将用于串行数据输出 并且 CH375 芯片只能工作 于 USB 主机方式 CH375 芯片的 ACT 引脚用于状态指示 在内置固件的 USB 设备方式下 当 USB 设备尚未配置或者取消配置后 该引脚输出高电平 当 USB 设备配置完成后 该 引脚输出低电平 对于 CH375A 芯片 在 USB 主机方式下 当 USB 设备断开后 该 引脚输出高电平 当 USB 设备连接后 该引脚输出低电平 CH375 的 ACT 引脚可 以外接串了限流电阻的发光二级管 LED 用于指示相关的状态 CH375 芯片的 UD 和 UD 引脚是 USB 信号线 工作于 USB 设备方式时 应该直 接连接到 USB 总线上 工作于 USB 主机方式时 可以直接连接到 USB 设备 如果 为了芯片安全而串接保险电阻或者电感 那么交直流等效串联电阻应该在 5 之内 CH375 芯片内置了电源上电复位电路 一般情况下 不需要外部提供复位 RSTI 引脚用于从外部输入异步复位信号 当 RSTI 引脚为高电平时 CH375 芯片被 复位 当 RSTI 引脚恢复为低电平后 CH375 会继续延时复位 20mS 左右 然后进 入正常工作状态 为了在电源上电期间可靠复位并且减少外部干扰 可以在 RSTI 引脚与 VCC 之间跨接一个容量为 0 47uF 左右的电容 RST 引脚和 RST 引脚是复位 状态输出引脚 分别是高电平有效和低电平有效 当 CH375 电源上电复位或者被外 部强制复位以及复位延时期间 RST 引脚和 RST 引脚分别输出高电平和低电平 CH375 复位完成后 RST 引脚和 RST 引脚分别恢复到低电平和高电平 RST 和 RST 引脚可以用于向外部单片机提供上电复位信号 CH375 芯片正常工作时需要外部为其提供 12MHz 的时钟信号 一般情况下 时 钟信号由 CH375 内置的反相器通过晶体稳频振荡产生 外围电路只需要在 XI 和 XO 引脚之间连接一个标称频率为 12MHz 的晶体 并且分别为 XI 和 XO 引脚对地连接 一个高频振荡电容 如果从外部直接输入 12MHz 时钟信号 那么应该从 XI 引脚输 入 而 XO 引脚悬空 CH375 芯片支持 5V 电源电压或者 3 3V 电源电压 当使用 5V 工作电压时 CH375 芯片的 VCC 引脚输入外部 5V 电源 并且 V3 引脚应该外接容量为 0 01uF 左右的电源退耦电容 当使用 3 3V 工作电压时 CH375 芯片的 V3 引脚应该与 VCC 引脚相连接 同时输入外部的 3 3V 电源 并且与 CH375 芯片相连接的其它电路的 工作电压不能超过 3 3V 3 3 串口电平转换电路 3 3 13 3 1 MAX232MAX232 资料简介资料简介 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 3 3 1 13 3 1 1 引脚介绍 引脚介绍 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 3 1 23 3 1 2 主要特点 主要特点 1 符合所有的RS 232C技术标准 2 只需要单一 5V电源供电 3 片载电荷泵具有升压 电压极性反转能力 能够产生 10V和 10V电压V V 4 功耗低 典型供电电流5mA 5 内部集成2个RS 232C驱动器 6 内部集成两个RS 232C接收器 3 3 1 33 3 1 3 注意事项 注意事项 232是电荷泵芯片 可以完成两路TTL RS 232电平的转换 它的的 9 10 11 12引脚是TTL电平端 用来连接单片机的 3 3 23 3 2 RS 232 RS 232 DB 9DB 9 RS 232C 标准 协议 的全称是 EIA RS 232C 标准 其中 EIA Electronic Industry Association 代表美国电子工业协会 RS recommeded standard 代表推荐标准 232 是标识号 C 代表 RS232 的 最新一次修改 1969 在这之前 有 RS232B RS232A 它规定连接电缆 和机械 电气特性 信号功能及传送过程 常用物理标准还有有EIA RS 422A EIA RS 423A EIA RS 485 这里只介绍 EIA RS 232C 简称 232 RS232 例如 目前在 IBM PC 机上的 COM1 COM2 接口 就是 RS 232C 接口 3 3 3 3 2 2 1 1 针针脚脚定定义义 1脚 载波检测 CD 2脚 接收数据 RXD 3脚 发送数据 TXD 4脚 数据终端准备好 DTR 5脚 信号地 SG 6脚 数据准备好 DSR 7脚 请求发送 RTS 8脚 清除发送 CTS 9脚 振铃提示 RI 3 3 2 2 3 3 2 2 电气特性电气特性 EIA RS 232C 对电器特性 逻辑电平和各种信号线功能都作了规定 在 TxD 和 RxD 上 逻辑 1 MARK 3V 15V 逻辑 0 SPACE 3 15V 在 RTS CTS DSR DTR 和 DCD 等控制线上 信号有效 接通 ON 状态 正电压 3V 15V 信号无效 断开 OFF 状态 负电压 3V 15V 以上规定说明了 RS 323C 标准对逻辑电平的定义 对于数据 信息码 逻辑 1 传号 的电平低于 3V 逻辑 0 空号 的电平高于 3V 对 于控制信号 接通状态 ON 即信号有效的电平高于 3V 断开状态 OFF 即 信号无效的电平低于 3V 也就是当传输电平的绝对值大于3V 时 电路可以 有效地检查出来 介于 3 3V 之间的电压无意义 低于 15V 或高于 15V 的 电压也认为无意义 因此 实际工作时 应保证电平在 3 15 V 之间 EIA RS 232C 与 TTL 转换 EIA RS 232C 是用正负电压来表示逻辑状态 与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同 因此 为了能够同计算机接口或 终端的 TTL 器件连接 必须在 EIA RS 232C 与 TTL 电路之间进行电平和逻辑 关系的变换 实现这种变换的方法可用分立元件 也可用集成电路芯片 目前 较为广泛地使用集成电路转换器件 如MC1488 SN75150 芯片可完成 TTL 电 平到 EIA 电平的转换 而 MC1489 SN75154 可实现 EIA 电平到 TTL 电平的转 换 MAX232 芯片可完成 TTL EIA 双向电平转换 3 4 按键控制模块按键控制模块 S1 S2 S3 S4 3 5 LED 显示模块显示模块 四 软件设计分析 软件由主模块 USB 模块 BULK 模块 FAT 模块和中断处理模块组成 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 软件系统模块软件系统模块 进入 USB 主机模式 要读 写 U 盘 必须先设置 CH375 使其工作于 USB 主机 方式 将 U 盘当作存储器进行读 写 方法与读 写闪存差不多 操作简单且速度 快 单片机读 写 U 盘文件程序分层如图所示 图 3 单片机读 写 U 盘文件程序分层图 USB 模块负责检测 USB 设备的移入 移出 对插入的设备进行枚举 分配设备地 址端点号 配置设备接口端点描述符 建立 BULK ONLY 输入 输出通道 BULK 模块则 在已建立的 BULK ONLY 输入 输出通道发送 CBW 数据包 并接收 CSW 数据包 通过 CB W 中嵌入的 CBWCB 信息确定对 U 盘读 写操作的扇区位置和大小 FAT 模块主要完成簇 和扇区间的索引定位 即在 U 盘内寻址 利用 BPB 中的参数计算给定扇区的所在簇以 及进入休眠状态 等待外部中断唤醒 中断处理模块是在中断唤醒后根据中断类型进入不同功能子模块的 也是整个软 件系统的核心部分 中断模块接收到串口或并口数据后 根据内部命令字要求进行解 析 命令字要求如图 5 所示 并口数据接收流程如图所示 图 4 软件设计流程图 图 18 UFI 结构 图 19 命令与数据字结构 4 2 主模块主模块 4 2 14 2 1 单片机读写单片机读写 U U 盘文件 盘文件 USBUSB 存储设备的文件级接口 存储设备的文件级接口 图 10 单片机读写 U 盘文件 一般情况下 单片机或嵌入式系统处理 USB 存储设备的文件系统需要实现上图 左边的 4 个层次 右边是 USB 存储设备的内部结构层次 由于 CH375 不仅是一个通 用的 USB HOST 硬件接口芯片 还内置了相关的固件程序 包含了上图左边的 3 个层 次 标为灰色部分 所以实际的单片机程序只需要处理 FAT 文件系统层 并且即 使这一层也可以由 CH375 的 U 盘文件级子程序库实现 如果不需要处理文件系统 也就是不处理上图左边的最顶层 那么 CH375 直接 提供了数据块的读写接口 以 512 字节的物理扇区为基本读写单位 从而将 USB 存储 设备简化为一种外部数据存储器 单片机可以自由读写 USB 存储设备中的数据 也 可以自由定义其数据结构 由于计算机将 USB 存储设备组织为文件系统 为了方便单片机通过 USB 移动存 储设备与计算机之间交换数据 单片机也可以将 USB 存储设备组织为文件系统 也 就是处理上图左边的最顶层 4 2 24 2 2 本地端的单片机软件本地端的单片机软件 CH375 芯片占用两个地址位 当 A0 引脚为高电平时选择命令端口 可以写入命 令 当 A0 引脚为低电平时选择数据端口 可以读写数据 单片机通过 8 位并口对 CH375 芯片进行读写 所有操作都是由一个命令码 若 干个输入数据和若干个输出数据组成 部分命令不需要输入数据 部分命令没有输出 数据 命令操作步骤如下 在A0 1 时向命令端口写入命令代码 如果该命令具有输入数据 则在A0 0 时依次写入输入数据 每次一个字节 如果该命令具有输出数据 则在A0 0 时依次读取输出数据 每次一个字节 命令完成 可以暂停或者转到 继续执行下一个命令 CH375 芯片专门用于处理 USB 通讯 在检测到 USB 总线的状态变化时或者命令 执行完成后 CH375 以中断方式通知单片机进行处理 4 2 2 14 2 2 1 绝对最大值绝对最大值 临界或者超过绝对最大值将可能导致芯片工作不正常甚至损坏 4 2 2 24 2 2 2 电气参数电气参数 测试条件 TA 25 VCC 5V 不包括连接USB 总线的引脚 如果电源电压为3 3V 则表中所有电流参数需要乘以40 的系数 注 ACT 引脚的低电平吸入电流为4mA 高电平输出电流为200uA 在CH375 芯片复位期间INT 引脚和TXD 引脚只能提供80uA 的高电平输出电流 4 2 2 34 2 2 3 时序参数时序参数 测试条件 TA 25 VCC 5V 或者VCC V3 3 3V 参考附图 RD 是指RD 信号有效并且CS 信号有效 RD CS 0 执行读操作 WR 是指WR 信号有效并且CS 信号有效 WR CS 0 执行写操作 适用于CH375A 如果是CH375S 那么TE0 TSX TSC TCC 2 5uS TSD TCD 1 5uS 图 7 为了使上位 PC 机能够直接读取该读写器写入 U 盘的数据 数据存储按照 FAT32 文件管理方 式存储 其中涉及 USB 和 UFI 协议以及 FAT32 文件存储格式 4 3 USB 模块模块 4 3 24 3 2 USBUSB 协议协议 USB 通用串行总线 用于将 USB 接口的外围设备 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 USB 的传输类型有控制 control 批量 bulk 中断 interrupt 和同步 synchronous 传输 4 种 它最大的特点是易于使用 即插即用 主要是用在中速 和低速的外设 控制数据用于在 USB 接入总线时对其进行配置 其他的驱动软件可以根据具体的 应用来选择使用控制传输 这种数据传输不会丢失数据 典型的批量数据包括象使用打印机或扫描仪时所出现的大数据量的数据 这种批 量数据是连续的 通过在硬件中实现差错检测功能 并且有选择地进行一定的应进重 试操作 可以在硬件层次上保证数据的可靠交换 由设备自发产生的数据传输是中断数据传输 这类数据传输可以由 USB 设备在任 意时刻发起 而且 USB 总线以不低于设备说明的速率进行传输 同步数据在产生 传送和处理过程中是连续的和实时的 在稳定的同步数据发送 和接收速率中包含了相应的时钟信息 为了保持定时关系 同步数据必须按照接收的 速率进行传输 4 4 BULK 模块模块 4 4 24 4 2 BULK ONLYBULK ONLY 和和 UFIUFI 协议协议 USB 设备分为 5 大类 即显示器 通信设备 音频设备 人机输入和海量存储 通常所用的 U 盘 移动硬盘均属于海量存储类 海量存储类的规范中包括 4 个独立的 子规范 即 CBI 传输 Bulk Only 传输 ATA 命令块 UFI 命令规范 前两个协议定 义了数据 命令 状态在 USB 总线上的传输方法 Bulk Only 传输协议仅仅使用 Bulk 端点传送数据 命令 状态 CBI 传输协议则使用 Control bulk interrupt 三种类型 的端点进行数据 命令 状态的传送 后两个协议定义了存储介质的操作命令 ATA 协 议用于硬盘 UFI 协议则针对 USB 移动存储 U 盘读写器的设计遵循 Bulk Only 传输 协议和 UFI 命令规范 UFI 命令块规范是针对 USB 移动存储而制定的 它总共定义了 19 个 12 字节长度的操作命令 Bulk Only 事务以主机向设备发送 CBW Command Block Warp 包 并以建立相 应的数据传输开始的 设备接收到 CBW 包 检查并解释它 试图满足主机的要求 并 通过 CSW Command State Wrap 包向主机返回状态信息 CBW 是主机通过 Bulk Out 端点向设备发送的命令块包 在 CBW 中使用方向位和 数据传输长度域指明期待的传输 CBW 必须起始于包边界 并且必须以 31 字节的短 包传输结束 相继的数据包和 CSW 包必须开始于一个新的包边界 所有的 CBW 包必须 按低字节在前的次序传输 CBW 包结构如图 16 所示 各域含义如下 图 16 CBW 包结构如图 1 命令块包标识 CBW 包标记 表明这是一个 CBW 包 这个域的值为 43425355H 2 命令块标记 当设备返回相应的 CSW 包时 必须使命令状态标记域的值与此值相 同 3 数据传输长度 指明命令执行期间在 Bulk 端点上传数据的字节长度 如果这个域 的值是 0 则在 CBW 和 CSW 之间设备和主机不传输任何数据 并且设备将忽略在命令 块标旗域中的方向位的值 4 命令块标旗 方向位规定了 Bulk 端点数据传输的方向 其他位预留 5 逻辑单元号 指定命令块被发送到的逻辑单元号 如果设备不支持多个逻辑单元 号 则主机将这个域设置为 0 6 CBWCB 长度 定义了 CBWCB 的有效长度 合法值为 1 16 7 CBWCB 由设备执行的命令 由设备解释 CSW 向主机表明来自于 CBW 包的命令块的执行状态 设备收到 CBW 包解析处理后 将通过 Bulk In 端点发送一个 CSW 包 CSW 开始于包边界 并以 13 字节的短包结束 结构如图 17 所示 各域含义如下 图 17 命令状态包结构 1 命令状态包标识 CSW 包的标记 表明这是一个 CSW 包 这个域的值为 53425355H 2 命令状态标记 次域的值域 CBW 包的命令块标记相同 3 数据残余 实际数据传输量与 CBW 包中规定的数据传输长度的差值 4 命令执行状态 表明命令成功或失败信息 如果命令执行成功 则设备将设置此 域的