基于MSP430的U盘设计

分类号TPXXUDCD10621408XXXXX16000密级公开编号2009XXXXXX基于MSP430的U盘设计论文作者姓名XX申请学位专业自动化申请学位类别工学学士指导教师姓名（职称）XXX（讲师）论文提交日期2013年X月X日分类号TPXXUDCD10621408XXXX16000密级公开编号2009XXXX成都信息工程学院学位论文基于MSP430的U盘设计论文作者姓名XX申请学位专业自动化申请学位类别工学学士指导教师姓名（职称）XXX（讲师）论文提交日期2013年XX月XX日基于MSP430的U盘设计摘要随着科学技术的快速发展，人们生活水平的提高，信息化程度的提高，信息的传输交换需求也就越来越多。在科学技术迅猛发展的今天，U盘已经成为了主流的数据储存产品，它满足了我们对数据储存的需求，实现了便携式移动存储、大大提高了办公效率，使人们生活更便捷。而且此装置小巧，方便携带，适用于各种场合，其应用前景和经济效益都很看好。因此，设计稳定、低功耗的数据储存器件就显得非常重要了。本次研究设计的U盘是基于高速低功耗的MSP430单片机，采用串行外设协议总线结构对SD卡中的数据进行读写操作并通过USB接口与PC端进行数据传输，U盘内存2G，系统的功耗低，供电电压33V。整个系统的功能实现了U盘与电脑之间的通讯。这种方法简单、便于操作、综合成本较低，具有较大的推广应用价值。其中，因SD卡具有体积小、功耗低的优势，所以在本设计中采用SD卡作为储存器件。关键词MSP430；U盘；SD卡；读卡器THEUDISKDESIGNOFAMSP430BASEDABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,PEOPLELIVINGSTANDARDRISE,THEINFORMATIZATIONDEGREERISE,INFORMATIONEXCHANGEOFTRANSPORTDEMANDISALSOMOREANDMOREINTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGYTODAY,UDISKHASBECOMETHEMAINSTREAMOFDATASTORAGEPRODUCTS,ITSATISFIESOURDEMANDFORDATASTORAGE,IMPLEMENTSTHEPORTABLEMOBILESTORAGE,GREATLYIMPROVETHEOFFICEEFFICIENCY,MAKELIFEMORECONVENIENTANDTHEDEVICEISSMALLANDPORTABLE,SUITABLEFORVARIOUSOCCASIONS,THEAPPLICATIONPROSPECTANDECONOMICBENEFITARELOOKGOODDESIGN,THEREFORE,STABLE,LOWPOWERCONSUMPTIONOFDATASTORAGEDEVICESISVERYIMPORTANTTHESTUDYINTHEDESIGNOFTHEUSBFLASHDRIVEISBASEDONTHEHIGHSPEEDLOWPOWERMSP430MCU,USINGSERIALPERIPHERALAGREEMENTBUSSTRUCTUREONTHEDATAINTHESDCARDREADANDWRITEOPERATIONSANDTHROUGHTHEUSBINTERFACEWITHPCFORDATATRANSMISSION,2GUSBMEMORY,SYSTEMOFLOWPOWERCONSUMPTION,POWERSUPPLYVOLTAGEOF33VTHEFUNCTIONOFTHEWHOLESYSTEMHASREALIZEDTHECOMMUNICATIONBETWEENUSBANDCOMPUTERTHISMETHODISSIMPLE,EASYTOOPERATE,LOWCOMPREHENSIVECOST,HASGREATPOPULARIZATIONANDAPPLICATIONVALUEAMONGTHEM,BECAUSETHESDCARDWITHTHEADVANTAGESOFSMALLVOLUME,LOWPOWERCONSUMPTION,SOINTHISDESIGNUSINGSDCARDASSTORAGEDEVICESKEYWORDSMSP430UDISKSDCARDCARDREADER目录论文总页数22页1引言111课题研究的背景与意义1111课题研究背景1112研究意义12总体方案论证与设计121设计要求122系统设计总体方案2221系统框图2222单片机的选择2223电源选择23系统电路设计与分析331单片机最小系统3311MSP430F5529单片机简介3312电路分析432USB接口模块533SD卡接口模块734JTAG仿真接口84系统软件设计与分析941主程序流程图942各单元设计思路及实现功能10421USB通信10422SD卡通信135系统调试1651电源模块调试1652JTAG仿真接口调试16结论17参考文献18致谢19声明20附录21第1页共22页1引言11课题研究的背景与意义111课题研究背景随着科学技术的快速发展，人们生活水平的提高。如今，电脑已经成为了我们生活的一部分，那么拷贝数据则成了家常便饭，U盘正是帮助我们完成这项“伟大事业”的良好载体，可以说和我们的生活密不可分。U盘，又称优盘，中文全称“USB闪存盘”，英文名“USBFLASHDISK”，是一种小型的移动存储盘，用于存储照片、资料、影像，只有拇指大小，它实现了便携式移动存储，大大提高了办公效率，使人类的生活更便捷。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移动存储器件的直接读写是非常有价值的。近几年，随着FLASHMEMORY非易失存储技术的发展，诞生了许多基于FLASH存储技术的非易失大容量闪烁存储卡。其中的SD卡以其体积小、功耗低的优势，被广泛用于各种数码产品中，如数码相机、MP3等。同时也为低功耗、便携式的U盘提供了理想的存储介质112研究意义随着科学技术的快速发展，人们生活水平的提高，信息化程度的提高，信息的传输交换需求也就越来越多。U盘与磁盘相比信息存储量更大，更适合大规模数据传输的需要。在科学技术迅猛发展的今天，U盘已经成为了主流的数据储存器件，满足了我们对数据储存的需求。从某种程度上说它的实现具有很大的意义，而且此装置小巧，方便携带，适用于各种场合，其应用前景和经济效益都很看好。因此，设计稳定、低功耗的U盘就显得非常重要了。本设计就是基于低功耗的MSP430单片机制作U盘。2总体方案论证与设计21设计要求基于MSP430单片机的U盘设计应用了单片机MSP430、SD卡接口电路、电压转换电路、USB接口电路等模块。系统基于高速低功耗的MSP430单片机，利用串行外围接口总线与SD卡相连，实现对SD卡的数据读写。整个系统由USB接口5V电压经过三端稳压电路AMS1117输出33V稳定第2页共22页的直流电压供给单片机使用。单片机通过USB接口与计算机连接，进行数据传送并直接对SD卡进行读写等操作。22系统设计总体方案221系统框图图21系统方框图222单片机的选择单片机是一种集成电路芯片，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MSP430F5529采用MSP430F559单片机，该单片机集成度高，具有超低功耗的特性，并且内置USB模块，通过它自带的USB模块可以更方便的与PC端进行通信，这给整个系统大大地降低了成本。方案二MSP430F449采用MSP430F449单片机，需要连接一块USB通用接口芯片，在集成度上没有MSP430F5529方便，故此次设计选择MSP430F5529单片机。223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。本设计用到的电源为33V，属于小功率稳压电源，采用三端稳压芯片单片机USB模块PC电源模块SD卡模块第3页共22页AMS1117。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、精度高等优点，因此给本系统供电完全满足要求。3系统电路设计与分析31单片机最小系统311MSP430F5529单片机简介MSP430F5529单片机是一种超低功耗、高性能16位微处理器，它具有以下功能128KB闪存、8KBRAM、USB接口、采样和保持及自动扫描功能的12位ADC、2个USCI（1，USCI_A0和USCI_A1，每个支持增强UART、IRDA、同步SPI；2，USCI_B0和USCI_B1，每个支持I2C、同步SPI）、32位HWMPY、四个个16位定时器/计数器、三通道内部DMA、片内晶振及时钟电路1。该系列单片机引脚与封装如下图所示。图31MSP430F5529单片机的内部框图312电路分析第4页共22页单片机最小系统由MCU、时钟电路、复位电路和电源模块组成时钟电路MSP430F5529使用4MHZ的晶体振荡器作为振荡源，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。图32时钟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。（1）上电复位此单片机为低电平复位，在复位引脚RST上连接一个电阻R18到MSP_DVCC，再连接一个电容C16到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的低电平进行复位，随后回归到高电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的值为100K和01UF。（2）按键复位在复位电容C16上并联一个开关，当开关SWPB按下时电容C16被放电、RST也被拉到低电平，而且由于电容的充电会保持一段时间的低电平来使单片机复位。图33复位电路第5页共22页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33V电压是通过USB接口上的5V电压经电平转换电路得来的。电压转换电路中接入了电源指示LED，R20为LED的限流电阻，C17、C18、C19、C20、C21为滤波电容。图34电源模块32USB接口模块整个系统利用USB接口实现MSP430F5529单片机与PC机的通信，如图35所示，VCC、D、和D引脚分别连接到单片机的VBUS、PU1/DM、PU0/DP。在该电路中，利用PUR完成D信号的上拉，使主机能够识别当前设备6。图35USB接口模块MSP430F5529单片机的USB模块具有以下特性完全符合USB20规范；集成12MBPS全速USB收发器多达8个输入和8个输出端点支持控制、中断和批量传输模式拥有独立于PMM模块的电源系统；集成了33V输出的低功耗线性稳压器，该稳压器从5V的VBUS取电，第6页共22页输出足以驱动整个MSP430工作集成18V低功耗线性稳压器为PHY和PLL模块供电33V输出线性稳压器电流限制功能内部48MHZ的USB时钟；集成可编程锁相环（PLL）高度自由化的输入时钟频率，可使用低成本晶振当USB模块禁止时；缓冲空间被映射到通用RAM空间，为系统提供额外的2KB的RAMUSB功能引脚变为具有强电流驱动能力的通用I/O口图36USB模块框图PLL锁相环模块为USB操作提供高精度低抖动的48MHZ的时钟。如果设备上存在高频晶振XT2，那么PLL的参考时钟频率就为XT2CLK，无论低频晶振XT1是否可用；如果不存在XT2，那么PLL的参考时钟频率就为XT1CLK2。MSP430F5529单片机存在可用高频晶振XT2，因此本次设计的PLL参考时钟频率为XT2CLK（4MHZ）。第7页共22页图37PLL结构框图MSP430F5529的USB模块支持控制、批量和中断数据传输。按照USB传输规范，端点0预留为控制端点，该端点为双向传输。除了控制端点以外，USB模块还能够支持多达7个输入端点和7个输出端点的数据传输。这些额外的端点可以配置成批量或中断端点。控制传输控制传输被用来实现USB设备和主机之间配置、命令和状态的通信。控制传输使用输入端点0和输出端点0。控制传输的三种类型是控制写入、无数据控制写入和控制读取。注意控制端点必须在USB设备连接到USB主机之前进行初始化。主机采用控制写入传输方式将数据写入USB设备。控制写入传输包含设置阶段事务、数据输出阶段事务和状态输入阶段事务。中断传输/批量传输USB模块支持数据以中断/批量传输的方式出入主机。输入端点1到7和输出端点1到7都能够被配置为中断/批量端点。33SD卡接口模块单片机通过串行外设协议总线与SD卡插槽进行连接，见图38。DO、CS、SCLK和DI引脚分别接到单片机的P42、P37、P43、P41。图中VSS2和DAT2脚是把记忆卡固定在PCB上的卡槽的引脚，除了引脚VSS2接地外，不使用其它管脚。图38SD卡实物及引脚描述第8页共22页图39SD卡接口电路34JTAG仿真接口JTAG是一种国际标准测试协议，标准的JTAG接口是4线TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。利用JTAG进行在线仿真大大提高了软件设计的效率。图310JTAG仿真接口电路第9页共22页4系统软件设计与分析软件由主模块、USB通信模块、SD卡读取模块组成。各模块之间相互协调调用，共同完成SD卡里的数据与PC端之间的通信。41主程序流程图图41主程序流程图插入主机USB口后，MSP430F5529就开始工作，调用函数对USB模块初始化。当使能了D上的上拉电阻后，主机就识别到有设备连接，随后判断是否开始USB初始化第一次连接USB枚举得到当前USB连接状态连接完成实现SD卡通信结束NYNY第10页共22页是第一次插入，不是则对设备进行枚举，成功枚举后对根据单片机的指令来完成电脑与SD卡里数据的传输。42各单元设计思路及实现功能设计思路本次项目主要分为两大模块USB通信；SD卡通信。实现功能通过USB总线实现SD卡与PC端的数据通信421USB通信在本次课程设计中，SD卡与PC端的数据传递是通过USB总线来完成的，而这些数据都是按照USB协议进行传递的。4211USB通信协议包（PACKET）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。USB包由五部分组成，即同步字段（SYNC）、包标识符字段（PID）、数据字段、循环冗余校验字段（CRC）和包结尾字段（EOP），包的基本格式如下图表41包的基本格式1、SYNC字段由8位组成，作为每个数据封包的前导，用来产生同步作用，使USB设备与总线的包传输率同步，它的数值固定为00000001。2、PID字段用来表示数据封包的类型。包标识符中的校验字段是通过对类型字段的每个位求反码产生的，PID字段如下图所示6,7表42PID字段在USB架构中，根HUB负责检测设备的连接和断开，利用其中断IN端点来向主机报告。在系统启动时，主机轮询它的根HUB的状态看是否有设备连接。一旦获悉有新设备连接上来，主机就会发送一系列的请求给设备所挂载到的HUB，再由HUB建立起一条连接主机和设备之间的通信通道。然后主机以控制传输的方式，通过端点0对设备发送各种请求，设备收到主机发来的请求后同步字段（SYNC）PID字段数据字段CRC字段包结尾字段（EOP）PID0PID1PID2PID3PID0PID1PID2PID3第11页共22页回复相应的信息，进行枚举操作。所有的USB设备必须支持标准请求，控制传输方式和端点06,7。4212USB枚举过程图42USB枚举流程图设备连接到总线后，设备从总线获得5V电源，程序首先初始化端口，待主机检测到设备连接。主机向设备发出第一个信号总线复位。总线复位产生YN开始HUB复位设备取得配置描述符使用新地址取得设备描述符设置配置描述符设置设备的新地址取得设备描述符HUB检测设备结束第12页共22页一个中断，并且在默认地址0处使能，以便在接下来的枚举过程中使用地址0传输命令和数据。1主机使用默认地址0读取设备描述符具体过程是主机向设备发送第一个SETUP包，每个SETUP包都是8个字节，第一个SETUP包的内容为8006000100004000，数据为16进制表示。其中的40表示返回的数据最大长度为40H字节。此SETUP包存储在端点0缓冲区中，并产生一个外部中断。进入中断服务程序后，由于USB设备端点0的缓冲区只有16个字节，所以单片机就先发送16个字节的设备描述符。当主机接收到这16个字节的字符后，就认为真正有设备连接了。2地址分配主机向设备发送第二个SETUP包，这是一个含有指定地址的数据包，其内容一般为0005020000000000，其中的02就表示主机为设备分配的地址为0X02，在以后的通信里设备就只对0X02地址的信息作出应答。USB设备收到这个SETUP包后同样产生一个中断（端点0的OUT中断），需要注意的是单片机处理这个中断时需要向主机返回一个长度为0的空数据包。3主机从新的地址获取设备描述符主机收到设备发来的空的应答数据包后，确认地址分配成功。然后主机向设备发送第三个SETUP包，再次要求获取设备描述符。这个SETUP包的内容一般是8006000100001200。与上次不同的是，这次要求实际的描述符长度，其中的12（十六进制数）表示要求得到全部18字节的设备描述符。因为每次只能发送16字节，因此程序中要分两次完成此要求。第一次16字节，第二次2字节。4主机读取配置描述符成功得到18字节的设备描述符后，主机向设备发送第四个SETUP包，要求得到设备的配置描述符。这个SETUP包的数据为8006000200000900。其中的09指定设备返回9字节数据，这正是配置描述符的长度。5读取描述符集合成功得到9字节的配置描述符后，主机向设备发送第五个SETUP包，要求得到设备的配置描述符、接口描述符、端点描述符的集合。这次SETUP包的内容是800600020000FF00。由于不知道描述符集合的真实长度，因此它要求得到256字节。到这一步，主机现在应该已经发现新硬件并为新设备安装好驱动程序。下面的一步，也是枚举过程的最后一步，就需要设备驱动程序来做了6数值配置第13页共22页主机得到各种描述符之后，认为设备的信息已经齐全，便对设备进行配置，使设备从地址状态进入配置状态。主机向设备发送第六个SETUP包，其数据为0009010000000000。程序中需要调用SETCONFIGURATION函数处理此事件，允许所有端点进入工作状态。至此，USB枚举过程结束，设备可以正常使用了6,7。422SD卡通信4221SD卡串行外设协议工作模式SD卡支持两种总线方式SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DO、DI进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，但SPI方式所使用的信号线较少，节省电路空间，同时也和SD卡传输模式兼容，由于串行外设协议模式的传输速度可以满足设计的要求，MSP430F5529单片机内部自带SPI控制器，不仅光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本，因此，本次设计采用串行外设协议的连接方式2。串行外设协议消息由指令、回应和数据块组成，所有的操作均由主设备控制。主设备每次开始传送任务时，都先将片选端置低电平，以激活SD卡进入工作状态。SD卡的串行外设协议主要有以下特点1被选中的卡要对来自于主设备的指令有所响应；2指令的响应是一个8位结构；3当卡接受错误时，会返回一个出错的响应，代替期望的数据；4支持单块和多块读写操作。块的大小可以大到一个扇区512字节，小到1个字节，一次操作的具体长度可以在CSD寄存器中设定4。4222SD卡的命令结构SD卡由指令控制，指令发送是其最基本的一项操作。SD支持特定的指令格式。且每一条指令被发送后，SD卡都会有一个应答，以表SD卡的状态。图43SD卡的指令格式第14页共22页4223SD卡的初始化SD卡上电后的默认模式是SD模式，必须通过初始化命令进入串行外设协议模式。CMD0命令被成功接受后，SD卡会向单片机返回0X01，进入SPI总线模式。然后发送CMD1命令，发送成功，SD卡就会返回0X00的八位二进制数，通知主控制器SD卡初始化完成。当整个指令发送完成后，控制器一般需要等待一个不定的时间后，才可以接收SD卡返回的数据5。图44SD卡初始化4224SD卡的读写完成SD卡的初始化之后即可进行它的读写操作。SD卡的读写操作都是通过发送SD卡命令完成的。SPI总线模式支持单块（CMD24）和多块（CMD25）写操作，多块操作是指从指定位置开始写下去，直到SD卡收到一个停止命令CMD12才停止。单块写操作的数据块长度只能是512字节。单块写入时，命令为CMD24，当应答为0时说明可以写入数据，大小为512字节。SD卡对每个发送给自己的数据块都通过一个应答命令确认，它为1个字节长，当低5位为00101时，表明数据块被正确写入SD卡。在需要读取SD卡中数据的时候，读SD卡的命令字为CMD17，接收正确第15页共22页的第一个响应命令字节为0XFE，随后是512个字节的用户数据块，最后为2个字节的CRC验证码。图45写SD卡流程图开始SD卡初始化发送写命令CMD25接收SD卡响应发送数据起始标志起时错误发送512字节数据发送2个字节CR码接收SD卡响应应答命令0X1F5结束YNNY第16页共22页图46读SD卡流程图5系统调试51电源模块调试整个系统通过USB5V电压经ASM1117稳压成33V电源供电给单片机MSP430F5529。通过万用表测得电压值正确，在ASM1117的输入和输出端的电压分别是5V，33V。52JTAG仿真接口调试系统通过JTAG接口来下载程序和仿真，经过检验，仿真接口连接正确。开始SD卡初始化发送读命令CMD17接收512字节数据接收2个字节CR码应答命令0XFE结束YN第17页共22页结论通过几个月的努力，在老师与同学们的指导帮助下，基于MSP430的U盘设计顺利的完成了。整个系统分为三大模块，分别是单片机模块，USB模块，SD卡模块。本次设计的U盘是基于高速低功耗的MSP430单片机，采用串行外设协议总线结构对SD卡中的数据进行读写操作并通过USB接口与PC端进行数据传输，U盘内存2G，系统的功耗很低，供电电压33V。整个系统的功能实现了U盘与电脑之间的通讯。这种方法简单、便于操作、综合成本较低，具有较大的推广应用价值。其中，因SD卡具有体积小、功耗低的优势，所以在本设计中采用SD卡作为储存器件。在这次设计中，我也发现了自己的许多不足。首先，最初画PCB图的时候，对软件的掌握还不算很全面，走了不少弯路。其次，对系统没有一个完成的概貌，考虑不是很全面，所以系统在后期调试的时候碰了不少困难。通过这次实践，我了解了通过单片机设计U盘的用途及工作原理，熟悉了单片机读写SD卡以及USB通信的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，我还得出一个结论知识必须通过应用才能实现其价值有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。第18页共22页参考文献1沈建华MSP430系列16位低功耗单片机原理与应用M清华大学出版社,2004,72杨金岩单片机数据传输接口扩展技术与应用实例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