基于單片機的存儲設備轉儲器

畢浩洋，毛曉波，劉一飛，冉臻昀

（1.鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學教務處 河南 鄭州 450001）

目前U盤以其體積小、易攜帶、容量大、使用方便等特點成為最常用的移動存儲設備之一。但是一直以來人們對U盤的使用僅限于U盤與計算機之間的通訊。如果要實現多個U盤的內容相互轉儲必須通過計算機間接完成，比較麻煩，且無法滿足人們出門在外需要隨時隨地轉儲數據的要求。本文針對這一需求，設計了一款以C8051F040單片機為核心的U盤轉儲器，實現不通過計算機直接完成兩個U盤之間的數據交換，具有體積小、傳輸速度快、操作方便、硬件綜合成本低等優點。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體結構與工作原理

系統由電源模塊、USB接口轉儲模塊、控制模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊等組成，如圖1所示。C8051F040微控制單元外接兩個CH375 U盤模塊，通過在單片機內部開辟一個數據緩沖區，直接調用子程序庫，負責將一個U盤中選中的文件數據傳送到另一個U盤中。液晶和外部鍵盤實現人機接口，通過鍵盤的上翻、下翻、選擇、復制等按鍵，選中要轉存的文件，并在液晶模塊中顯示文件名、文件大小等相關信息。人機交互界面友好、操作簡便。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

1.2 CH375 U盤模塊

采用振南電子開發的CH375 U盤讀寫模塊，該模塊體積小巧，僅3.3×2.0 cm2。模塊供電為5 V，配有指示燈，工作時指示燈被點亮。模塊使用USB主從機控制器 CH375B，采用并行方式驅動，可以實現U盤的讀寫。共需要13根信號線（5根控制線8根數據線）[1]。

通過該模塊提供的znFAT，一種單片機上的FAT32文件系統解決方案，能夠輕松地實現U盤上的各種文件級的應用。主要包括文件扇區的定位、文件打開、信息修改、文件關閉、文件刪除、文件讀、文件寫、磁盤信息查詢等一些對文件的基本操作。該模塊具有體積小，價格較低，使用方便的特點。通過該模塊很容易通過單片機實現對兩個U盤中的相關文件的轉移。

CH375 U盤讀寫模塊與C8051F040單片機的連接如圖2所示。C8051F040通過CS選中U盤模塊，U盤模塊則通過INT以中斷方式與單片機進行通信。D0～D7為CH375 U盤模塊與單片機的并行通信數據線，單片機通過A0、RD、WR控制信號控制CH375U盤模塊。D+、D－為CH375 U盤模塊與USB存儲設備的串行接口。通過CH375 U盤模塊可以很容易地實現單片機與USB存儲設備直接的數據轉儲。

圖2 CH375 U盤模塊與C8051F040接口Fig.2 Interface between CH375 flash memory module and C8051F040

1.3 液晶顯示模塊

本系統使用122×32點陣的MGLS12232液晶顯示模塊，模塊內置兩塊2 560位的RAM和兩片SED1520控制器，分別由E1、E2兩個選通信號控制左右兩半屏的顯示。圖形液晶顯示模塊有兩種連接方式：一種為直接訪問方式，另一種為間接控制方式。本系統是采用直接控制方式，該方式將液晶顯示模塊的接口作為存儲器或I/O設備直接掛接在單片機總線上。該模塊體積小、價格較低且通過該液晶模塊能夠滿足對一般文件夾名、文件名和文件信息的顯示。

1.4 鍵盤模塊

鍵盤模塊是3×3矩陣式鍵盤結構，采用Button按鍵，分別定義了上電、復位、上翻、下翻、選擇、復制、粘貼等按鍵，以最少的按鍵實現文件轉儲的各種操作。

1.5 C8051F040單片機控制模塊

C8051F040單片機控制模塊是本系統的核心控制模塊。該單片機具有豐富的片內資源和強大的控制功能[2]：與8051完全兼容，最大系統時鐘頻率為24 MHz，70%指令的執行時間為1或2個系統時鐘周期。豐富的中斷源，擴展的中斷系統向CIP－51提供20個中斷源，一個中斷驅動的系統需要較少的MCU干預，因而有更高的執行效率，這么多的中斷源完全能滿足本系統的所有外設。通用串行總線（USB）功能控制器，有8個靈活的端點管道，集成收發器和1K FIFO RAM；片內存儲較大，CIP－51的SFR地址空間可包含多達256個SFR頁，通過SFR分頁，CIP－51MCU可以控制大量用于控制和配置片內外設所需的SFR。串口資源豐富，具有兩個增強型全雙工UART、一個增強型SPI總線和SMBus/I2C。每種串行總線都完全用硬件實現，都能向CIP－51產生中斷，因此需要很少的CPU干預。這些串總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O等資源，可以使用任何一個或同時使用多個。

該模塊的功能是：通過在單片機內部開辟一個數據緩沖區緩存兩個U盤之間要轉移的文件數據，并通過兩個CH375 U盤模塊控制U盤文件的打開、讀取、寫入和關閉，實現文件數據的轉移工作。該控制單元還可以將外圍鍵盤發來的中斷信息進行處理，以實現文件的選擇等對單片機的控制。通過控制一個MGLS12232液晶顯示模塊來顯示一些相關的文件信息。

2 系統軟件設計

2.1 外設控制方式

本系統采用CH375 U盤模塊，該模塊附帶znFAT，單片機上的FAT32文件系統解決方案。從而減少了繁雜的Fat32文件系統方面的編程，由于CH375 U盤模塊配帶文件系統及文件操作子程序，通過單片機主程序調用比較容易實現文件名、文件信息的液晶顯示，以及文件的選擇與轉移操作。

由于C8051F040單片機的中斷資源豐富，并且中斷具有以下優點[3]：

1）分時操作。CPU可以分時為多個I/O設備服務，提高了計算機的利用率。

2）實時響應。CPU能夠及時處理應用系統的隨機事件，系統的實時性大大增強。

3）可靠性高。CPU具有處理設備故障及掉電等突發事件的能力，從而使系統的可靠性提高。

綜上所述，本系統的所有外設鍵盤均采用中斷控制方式，文件轉移也用中斷方式控制。這樣C8051F040的系統資源利用效率有了很大的提高。

2.2 文件轉儲方案

首先在C8051F040單片機內部開辟一個緩沖區，當需要轉存文件時，首先選中一個U盤中的文件，當單擊復制及粘貼按鍵后，會通過中斷自動調用相關的程序，想將該文件打開，并讀取文件的數據與開辟的緩沖區中，然后把緩沖區的數據存儲到另一個U盤相應目錄下的新建的同名文件中[4]。

系統總流程圖如圖3所示。系統上電后，對C8051F040單片機內部開辟的緩沖區進行初始化，并使液晶屏顯示初始界面，之后進入等待U盤插入的狀態，當等待一段時間后，若沒用U盤插入，則顯示“請插入U盤”的提示信息。當U盤個數為一個或兩個時，開始讀取U盤信息，并在液晶屏上顯示基本的U盤信息。之后，C8051F040單片機等待鍵盤操作，根據鍵盤輸入的編碼調用相應的中斷程序，處理完后，繼續等待鍵盤的中斷信號。

圖3 系統軟件流程圖Fig.3 Flow chart of system software

3 聯機調試

在USB轉儲器的兩個USB接口分別接甲、乙兩個U盤，液晶顯示屏能夠顯示甲U盤里的文件，通過手動操作轉儲器上的鍵盤按鈕可以選擇甲U盤里的文件，并可將其轉移到乙U盤里。在這次USB轉儲器的制作過程中比較難的是對設備端的程序進行調試。由于USB協議有嚴格要求，這就使程序必須在有效的時間內對某些請求或者狀態進行，否則USB將無法正常工作。因此在調試過程中，較多的借助串口輸出程序輸出的一些信息來輔助調試，定位問題所在[5-6]。

調試工作主要分為兩步，首先是要能顯示U盤里面的文件，借助PC調試軟件（從網上下載的Bus Hound）將設備端的USB協議調通，然后加上U盤寫入U盤顯示程序，在液晶屏里可以看到U盤里的文件名；第二步是轉儲，在單片機里寫入轉儲程序進行調試。通過鍵盤按鈕選擇可以實現轉儲文件。

4 結束語

目前市場上雖有單片機讀寫U盤的功能模塊，但只能夠實現簡單的讀功能，還不能夠實現兩個U盤之間的直接相互傳輸和顯示。本文設計的U盤轉儲器經實驗表明具有很強的實用性和可操作性，人們可以在戶外不借助計算機很方便地完成一個U盤到另外一個U盤的文件轉儲。由于采用USB接口傳輸速度非常快，完全能夠滿足普通用戶的需要。系統采用STM封裝，具有外形小巧、方便佩戴等優點，是一款廉價實用的電子產品。本系統目前的不足是能管理的USB存儲設備只有兩個，這是本系統將來需要進一步完善的地方。

[1]崔海朋.基于CH375的MSP430讀寫U盤的設計與實現[J].可編程控制器與工廠自動化，2009（3）:33-36.CUI Hai-peng. Design and implementation of the communication between MSP430 and the flash disk[J].Programmable Controller&Factory Automation， 2009（3）:33-36.

[2]潘琢金.C8051F04x混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[M].沈陽:新華龍電子有限公司，2004.

[3]童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[4]秦霆鎬，凌輝，龐海瓏.基于CH375讀寫模塊在移動數據交換中的應用[J].儀表技術，2006（1）:34-36.QIN Ting-hao，LING Hui,PANG Hai-long.Application of USB module based on CH375 in data exchange[J].Instrumentation Technology， 2006（1）:34-36

[5]李偉春.FAT32文件系統結構的技術參數分析 [J].電腦學習，2003（3）:23-24.LI Wei-chun.The technical parameter analysis about FAT32 file system structure[J].Computer Study， 2003（3）:23-24.

[6]王宇炎，李明偉.基于C51單片機的MP3播放器設計[J].電子技術，2009（10）:29-30.WANG Yu-yan，LI Ming-wei.A MP3 player design based on C51 MCU[J].Electronic Technology，2009（10）:29-30.