基于单片机的存储设备转储器

毕浩洋，毛晓波，刘一飞，冉臻昀

（1.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001；2.郑州大学教务处 河南 郑州 450001）

目前U盘以其体积小、易携带、容量大、使用方便等特点成为最常用的移动存储设备之一。但是一直以来人们对U盘的使用仅限于U盘与计算机之间的通讯。如果要实现多个U盘的内容相互转储必须通过计算机间接完成，比较麻烦，且无法满足人们出门在外需要随时随地转储数据的要求。本文针对这一需求，设计了一款以C8051F040单片机为核心的U盘转储器，实现不通过计算机直接完成两个U盘之间的数据交换，具有体积小、传输速度快、操作方便、硬件综合成本低等优点。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体结构与工作原理

系统由电源模块、USB接口转储模块、控制模块、键盘模块和液晶显示模块等组成，如图1所示。C8051F040微控制单元外接两个CH375 U盘模块，通过在单片机内部开辟一个数据缓冲区，直接调用子程序库，负责将一个U盘中选中的文件数据传送到另一个U盘中。液晶和外部键盘实现人机接口，通过键盘的上翻、下翻、选择、复制等按键，选中要转存的文件，并在液晶模块中显示文件名、文件大小等相关信息。人机交互界面友好、操作简便。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system structure

1.2 CH375 U盘模块

采用振南电子开发的CH375 U盘读写模块，该模块体积小巧，仅3.3×2.0 cm2。模块供电为5 V，配有指示灯，工作时指示灯被点亮。模块使用USB主从机控制器 CH375B，采用并行方式驱动，可以实现U盘的读写。共需要13根信号线（5根控制线8根数据线）[1]。

通过该模块提供的znFAT，一种单片机上的FAT32文件系统解决方案，能够轻松地实现U盘上的各种文件级的应用。主要包括文件扇区的定位、文件打开、信息修改、文件关闭、文件删除、文件读、文件写、磁盘信息查询等一些对文件的基本操作。该模块具有体积小，价格较低，使用方便的特点。通过该模块很容易通过单片机实现对两个U盘中的相关文件的转移。

CH375 U盘读写模块与C8051F040单片机的连接如图2所示。C8051F040通过CS选中U盘模块，U盘模块则通过INT以中断方式与单片机进行通信。D0～D7为CH375 U盘模块与单片机的并行通信数据线，单片机通过A0、RD、WR控制信号控制CH375U盘模块。D+、D－为CH375 U盘模块与USB存储设备的串行接口。通过CH375 U盘模块可以很容易地实现单片机与USB存储设备直接的数据转储。

图2 CH375 U盘模块与C8051F040接口Fig.2 Interface between CH375 flash memory module and C8051F040

1.3 液晶显示模块

本系统使用122×32点阵的MGLS12232液晶显示模块，模块内置两块2 560位的RAM和两片SED1520控制器，分别由E1、E2两个选通信号控制左右两半屏的显示。图形液晶显示模块有两种连接方式：一种为直接访问方式，另一种为间接控制方式。本系统是采用直接控制方式，该方式将液晶显示模块的接口作为存储器或I/O设备直接挂接在单片机总线上。该模块体积小、价格较低且通过该液晶模块能够满足对一般文件夹名、文件名和文件信息的显示。

1.4 键盘模块

键盘模块是3×3矩阵式键盘结构，采用Button按键，分别定义了上电、复位、上翻、下翻、选择、复制、粘贴等按键，以最少的按键实现文件转储的各种操作。

1.5 C8051F040单片机控制模块

C8051F040单片机控制模块是本系统的核心控制模块。该单片机具有丰富的片内资源和强大的控制功能[2]：与8051完全兼容，最大系统时钟频率为24 MHz，70%指令的执行时间为1或2个系统时钟周期。丰富的中断源，扩展的中断系统向CIP－51提供20个中断源，一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率，这么多的中断源完全能满足本系统的所有外设。通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1K FIFO RAM；片内存储较大，CIP－51的SFR地址空间可包含多达256个SFR页，通过SFR分页，CIP－51MCU可以控制大量用于控制和配置片内外设所需的SFR。串口资源丰富，具有两个增强型全双工UART、一个增强型SPI总线和SMBus/I2C。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP－51产生中断，因此需要很少的CPU干预。这些串总线不“共享”定时器、中断或端口I/O等资源，可以使用任何一个或同时使用多个。

该模块的功能是：通过在单片机内部开辟一个数据缓冲区缓存两个U盘之间要转移的文件数据，并通过两个CH375 U盘模块控制U盘文件的打开、读取、写入和关闭，实现文件数据的转移工作。该控制单元还可以将外围键盘发来的中断信息进行处理，以实现文件的选择等对单片机的控制。通过控制一个MGLS12232液晶显示模块来显示一些相关的文件信息。

2 系统软件设计

2.1 外设控制方式

本系统采用CH375 U盘模块，该模块附带znFAT，单片机上的FAT32文件系统解决方案。从而减少了繁杂的Fat32文件系统方面的编程，由于CH375 U盘模块配带文件系统及文件操作子程序，通过单片机主程序调用比较容易实现文件名、文件信息的液晶显示，以及文件的选择与转移操作。

由于C8051F040单片机的中断资源丰富，并且中断具有以下优点[3]：

1）分时操作。CPU可以分时为多个I/O设备服务，提高了计算机的利用率。

2）实时响应。CPU能够及时处理应用系统的随机事件，系统的实时性大大增强。

3）可靠性高。CPU具有处理设备故障及掉电等突发事件的能力，从而使系统的可靠性提高。

综上所述，本系统的所有外设键盘均采用中断控制方式，文件转移也用中断方式控制。这样C8051F040的系统资源利用效率有了很大的提高。

2.2 文件转储方案

首先在C8051F040单片机内部开辟一个缓冲区，当需要转存文件时，首先选中一个U盘中的文件，当单击复制及粘贴按键后，会通过中断自动调用相关的程序，想将该文件打开，并读取文件的数据与开辟的缓冲区中，然后把缓冲区的数据存储到另一个U盘相应目录下的新建的同名文件中[4]。

系统总流程图如图3所示。系统上电后，对C8051F040单片机内部开辟的缓冲区进行初始化，并使液晶屏显示初始界面，之后进入等待U盘插入的状态，当等待一段时间后，若没用U盘插入，则显示“请插入U盘”的提示信息。当U盘个数为一个或两个时，开始读取U盘信息，并在液晶屏上显示基本的U盘信息。之后，C8051F040单片机等待键盘操作，根据键盘输入的编码调用相应的中断程序，处理完后，继续等待键盘的中断信号。

图3 系统软件流程图Fig.3 Flow chart of system software

3 联机调试

在USB转储器的两个USB接口分别接甲、乙两个U盘，液晶显示屏能够显示甲U盘里的文件，通过手动操作转储器上的键盘按钮可以选择甲U盘里的文件，并可将其转移到乙U盘里。在这次USB转储器的制作过程中比较难的是对设备端的程序进行调试。由于USB协议有严格要求，这就使程序必须在有效的时间内对某些请求或者状态进行，否则USB将无法正常工作。因此在调试过程中，较多的借助串口输出程序输出的一些信息来辅助调试，定位问题所在[5-6]。

调试工作主要分为两步，首先是要能显示U盘里面的文件，借助PC调试软件（从网上下载的Bus Hound）将设备端的USB协议调通，然后加上U盘写入U盘显示程序，在液晶屏里可以看到U盘里的文件名；第二步是转储，在单片机里写入转储程序进行调试。通过键盘按钮选择可以实现转储文件。

4 结束语

目前市场上虽有单片机读写U盘的功能模块，但只能够实现简单的读功能，还不能够实现两个U盘之间的直接相互传输和显示。本文设计的U盘转储器经实验表明具有很强的实用性和可操作性，人们可以在户外不借助计算机很方便地完成一个U盘到另外一个U盘的文件转储。由于采用USB接口传输速度非常快，完全能够满足普通用户的需要。系统采用STM封装，具有外形小巧、方便佩戴等优点，是一款廉价实用的电子产品。本系统目前的不足是能管理的USB存储设备只有两个，这是本系统将来需要进一步完善的地方。

[1]崔海朋.基于CH375的MSP430读写U盘的设计与实现[J].可编程控制器与工厂自动化，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混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M].沈阳:新华龙电子有限公司，2004.

[3]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4]秦霆镐，凌辉，庞海珑.基于CH375读写模块在移动数据交换中的应用[J].仪表技术，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]李伟春.FAT32文件系统结构的技术参数分析 [J].电脑学习，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，李明伟.基于C51单片机的MP3播放器设计[J].电子技术，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.