基于Altium Designer Summer 09de U盘电路设计.doc

江苏城市职业学院高职毕业设计（论文）江苏城市职业学院毕业设计（论文）（ 2011 届 ）设计（论文）题目 基于Altium Designer Summer 09 的U盘电路设计 系 部 信息工程系 专 业 应用电子专业 班 级 应用电子1班 学 号 082106350202 姓 名 张贺斌 起 讫 日 期 2010年12月28日2011年4月8日 指导教师 勾荣 职称 讲师 2011 年 4 月 8 日摘要本论文主要是利用AD（Altium designer Summer 09）软件设计一个U盘电路，并制作相应的PCB板。通过搜集资料，了解到了U盘的电路以及U盘的运行原理，并通过同学的帮助，了解了U盘的芯片以及一些与U盘电路设计休戚相关的知识。在这次设计中，由于没有U盘的芯片和主控芯片IC1114的元器件封装，于是我就不得不利用AD（Altium designer Summer 09）软件将这两个芯片的元器件封装画出来，然后根据自己画的电路原理图，在AD（Altium Designer Summer 09）软件中将全部原理图制作出来并制作成PCB板。关键词：U盘，PCB，AD（Altium Designer），USB目录摘要2第一章 引言41.1 什么是U盘41.2 U盘的发展历史41.3U盘的发展前景5第二章 开发工具Altium Designer Summer 09的介绍72.1 AD (Altium Designer Summer 09)的介绍7第三章 U盘的原理及芯片83.1 U盘的原理83.1.1 U盘的端口介绍83.1.2 U盘的传输协议83.1.3 U盘的原理93.1.4 U盘的必要组件103.2 U盘的芯片11第四章 U盘的封装124.1 画出电路图以及封装电路图124.1.1 画出K9F080U0B芯片的元器件引脚图及封装124.1.2 画出IC1114芯片的元器件引脚图及封装134.1.3画出U盘的总电路图144.2画出PCB以及封装PCB15致谢16参考文献17附录18第一章 引言1.1 什么是U盘U盘，全称“USB闪存盘”，英文名“USB flash disk”。它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，使用USB接口进行连接。USB接口就连到电脑的主机后，U盘的资料可与电脑交换。而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优盘”，而改称谐音的“U盘”。后来U盘这个称呼因其简单易记而广为人知，而直到现在这两者也已经通用，并对它们不再作区分，是移动存储设备之一。图1-1 图1-2图1-3 1.2 U盘的发展历史自1998年至2000年，有很多公司声称自己是第一个发明了USB闪存盘。包括中国朗科科技，以色列M-Systems，新加坡Trek公司。但是真正获得U盘基础性发明专利的却是中国朗科公司。 2002年7月，朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”（专利号：ZL 99 1 17225.6）获得国家知识产权局正式授权。该专利填补了中国计算机存储领域20年来发明专利的空白。该专利权的获得引起了整个存储界的极大震动。包括以色列M-Systems立即向中国国家知识产权局提出了无效复审,一度成为全球闪存领域震惊中外的专利权之争。但是2004年12月7日，朗科获得美国国家专利局正式授权的闪存盘基础发明专利，美国专利号US6829672。这一专利权的获得，最终结束了这场争夺。.中国朗科公司才是U盘的全球第一个发明者。美国时间2006年2月10日，朗科委托美国摩根路易斯律师向美国德克萨斯州东区联邦 法院递交诉状，控告美国PNY公司侵犯了朗科的美国专利(美国专利号US6829672)。2008年2月，朗科与PNY达成庭外和解。朗科向PNY签订专利许可协议，PNY向朗科公司缴纳专利许可费用1000万美元。这是中国企业第一次在美国本土收到巨额专利许可费用.也进一步证明了朗科是U盘的全球发明者。现在的闪存盘都支持USB2.0标准；然而，因为NAND闪存技术上的限制，它们的读写速度目前还无法达到标准所支持的最高传输速度480Mbit/s。目前最快的闪存盘已使用了双通道的控制器，但是比起目前时代的硬盘，或是USB2.0能提供的最大传输速率来说，仍然差上一截。目前最高的传输速率大约为20-40MB/s，而一般的文件传输速度大约为10MB/s。较旧型的12Mbit/s设备传输速率最大约只有1MB/s。其中业界的佼佼者有深圳朗科公司,M-Systems公司,新加坡Trek公司。1.3U盘的发展前景半导体厂商努力地将各种闪存盘的功能集成在单一芯片中，以降低闪存盘组件的成本，于是也降低了整体的成本。在增加容量的努力方面，已经不再制造1GB与更小的闪存盘了。Kanguru最近发表了一款16GB的USB2.0闪存盘，并且宣称能够保存数据10年。Lexar正在尝试引入一种USB快闪存储卡。它兼容于U盘，并且被希望能够取代各种快闪存储卡。（已完成）闪迪发表了能够在闪存盘上控制使用有版权数据的新科技。这种科技主要的用户是学生。这种科技称为FlashCP。金士顿科技已研制出了目前世界上储存容量最大的闪存盘，高达256GB。随着社会的发展，消费者审美观的变化和选择性增多，对产品的购买要求也随之提高。在这种背景下很多U盘工厂在保证质量和价格大战的同时，也开始着眼于产品的多元化和个性化设计，独特的创意和高端的科技被应用在U盘产品上，U盘市场开始细分。在以往说到U盘只有一种概念就是存储数据，这也是U盘作为闪存的基本功能，但是现在一说到U盘，很多细分的产品类别都可以列举出来， 外观的多样化细分： 手腕U盘、扣形U盘、名片U盘、卡通U盘、笔形U盘、迷你U盘、圣诞U盘、食品U盘，tvU盘等。第二章 开发工具Altium Designer Summer 09的介绍2.1 AD (Altium Designer Summer 09)的介绍原名protel,从2004年开始更名为protel dxp 而后是新版 Altium Designer 6.06.9以后开始了以年份命名。图2-1Altium Designer Summer 09的发布延续了连续不断的新特性和新技术的应用过程。这必将帮助用户更轻松地创建下一代电子设计。同时将令Altium Designer更符合电子设计师的要求。Altium的一体化设计结构将硬件、软件和可编程硬件集合在一个单一的环境中，这将令用户自由地探索新的设计构想。在整个设计构成中，每个人都使用同一个设计界面。 Summer 09版本解决了大量历史遗留的工具问题。其中就包括了增加更多的机械层设置、增强的原理图网络类定义。新版本中更关注于改进测试点的分配和管理、精简嵌入式软件开发、软设计中智能化调试和流畅的License管理等功能。第三章 U盘的原理及芯片3.1 U盘的原理3.1.1 U盘的端口介绍USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的3.1.2 U盘的传输协议总线协议USB是一种轮询方式的总线，主机控制器初始化所有的数据传输。每个总线执行动作按照传输前制定的原则，最多传输三个数据包。每次传输开始，主机控制器发送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和端口号的数据包，这个数据包通常称为标志包PID（packet ID），USB设备从解码后的数据包中取出属于自己的数据。传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端发送数据包，接收端相应地发送一个握手的数据包，以表明传输是否成功。发送端和接收端之间的数据传输，可视为在主机和设备端口之间的一条通道中进行。通道可分为两类：流通道和消息通道。各通道之间的数据流动是相互独立的，一个USB设备可以有几条通道。例如，一个USB设备可建立向其他设备发送数据和从其他设备接收数据的两条通道。USB的传输方式为了满足不同的通信要求，USB提供了四种传输方式：控制（control）方式传输，等时（isochronous）方式传输，中断（interrupt）方式传输及批（bulk）方式传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端时，具有不同的性质。（1）控制方式传输控制传输是双向传输，数据量通常较小。控制传输类型支持外设与主机之间的控制、状态、配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一条控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样，主机与外设之间就可以传输配置和命令/状态信息。（2）等时方式传输等时传输提供了确定的带宽和间隔时间（latency）。它用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传输速率和即时应用中。例如，在执行即时通话的网络电话应用中，使用等时传输模式是很好的选择。等时数据要求确定的带宽值和确定的最大传输次数，对于等时传输来说，即时数据传递比精度和数据的完整性更重要一些。（3）中断方式传输中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断申请。这种传输方式的典型应用是在少量的、分散的、不可预测数据的传输方面，键盘、操纵杆和鼠标等就属于这一类型。这些设备与主机间的数据传输量小、无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。中断方式传输是单向的，并且对于主机来说只有输入方式。（4）批方式传输主要应用于大量传输数据又没有带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。打印机和扫描仪就属于这种类型，在满足带宽的情况下，才进行该类型的数据传输。USB采用分块带宽分配方案，若外设超过当前或潜在的带宽分配要求，则主机将拒绝与外设进行数据传输。等时和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传输，集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输数据。但是，10%的带宽为批传输和控制传输保留，数据块传输仅在带宽满足要求的情况下才会出现。3.1.3 U盘的原理U盘的结构基本上由五部分组成：USB端口、主控芯片、FLASH（闪存）芯片、PCB底板、外壳封装。 U盘的基本工作原理也比较简单：USB端口负责连接电脑，是数据输入或输出的通道；主控芯片负责各部件的协调管理和下达各项动作指令，并使计算机将U盘识别为“可移动磁盘”，是U盘的“大脑”；FLASH芯片与电脑中内存条的原理基本相同，是保存数据的实体，其特点是断电后数据不会丢失，能长期保存；PCB底板是负责提供相应处理数据平台，且将各部件连接在一起。当U盘被操作系统识别后，使用者下达数据存取的动作指令后，USB移动存储盘的工作便包含了这几个处理过程。3.1.4 U盘的必要组件图3-1通常一个闪存盘有三个部分：Type-A USB插头提供连接到电脑的接口USB大量存储设备控制器提供 USB 设备控制器及与闪存沟通的接口。此控制器含有一个RISC的微处理器及一些ROM(Read-Only Memory)与RAM(Random Access Memory)。NAND闪存芯片用以存储数据。NAND闪存也常用于数码相机。石英振荡器供应设备运作所需的12MHz时序信号，并且控制设备的数据输出。额外组件闪存盘也可能含有：跳线与测试接脚在生产时可进行测试，或用来将代码加载微处理器中。发光二极管（LED）提示正在传输数据或是正在进行读取或写入动作。写入保护开关提供“写入保护模式”功能，防止数据被改写。未使用空间提供放置第二个存储器芯片的空间，让制造商能够利用旧有的印刷电路板来制造不同存储大小的闪存盘，以满足市场的需要。USB 连接头的盖子减少因为静电而损坏闪存盘的机率，并且让整体外观更美观。有些闪存盘不提供盖子，而是将连接头作成隐藏式，要用的时候才取出。另外有些闪存盘提供连接在本体上的旋转盖，以避免盖子的遗失。小环有时在本体或盖子上有一个小环，能够让钥匙圈、颈链或其它帮忙携带与存储闪存盘的东西穿过它。3.2 U盘的芯片IC1114芯片的型号如图3-2所示图3-2IC1114的封装如图3-3所示图3-3第四章 U盘的封装4.1 画出电路图以及封装电路图4.1.1 画出存储器K9F08DUDB芯片的元器件引脚图及封装存储器K9F08DUDB芯片的封装TSSO12X20-G48/P.5 如图4-1所示图4-1因为U盘体积非常小巧，电路板面积很小，所以电路板中的元件绝大部分采用SMD元件，以节省电路板面积。图4-24.1.2 画出IC1114芯片的元器件引脚图及封装图4-34.1.3画出U盘的总电路图基于以上基础，利用画好的存储器K9F08DUDUB芯片和主控芯片IC1114芯片的元器件图进行下一个步骤，将需要的元器件一一列出，然后排列整齐，统一连线，完成后的电路原理总电路图如图4-3所示。图4-44.2画出PCB以及封装PCB元件载入PCB板后，就可以根据元件的布局规律进行布局，由于U盘电路板面积小元件多，元件密度很高，所以在布局前，必须仔细规划好元件的布局方案，U盘布局是否合理是整个项目的关键，它关系到U盘电路板布线是否成功以及整个电路的稳定性。图4-5致谢本次U盘PCB板的制作及论文是在我的指导老师勾荣老师的耐心指导下完成的，从课题选择到项目完成，我遇到了很多困难，她都给了我耐心的讲解和帮助，始终给予我细心的指导和不懈的支持，也让我学到了很多的东西，包括一些理论知识和实践操作技巧还有为人的道理，在此，谨向勾荣老师诚挚的谢意和崇高的敬意。另外，在论文写作过程中，对参考的一些网站表示真诚的谢意，他们的网站给了我很大帮助。在此我还要感谢陪同我度过大学生活的各位老师和同学，由于你们的帮助和支持，我才能克服一个个的困难，直至本文的顺利完成。参考文献 1郭 勇 刘 涛， EDA技术基础（第2版） 机械工业出版社 20052陈启美 丁传锁， 计算机USB接口技术M 南京大学出版社 20033456789附录IC1114引脚图19