1、系专班学姓起 讫指导教师江苏城市职业学院毕业设计论文2021 届设计论文题目基于 Altium Designer Summer 09 的U盘电路设计部信息工程系业应用电子专业级应用电子1班号082106350202名张贺斌日 期 2021年12月28日2021年4月8日勾荣 职称2021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
2、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 盘的开展历史 51.3U 盘的开展前景 5第二章 开发工具 Altium Designer Summer 09的介绍 72.1 AD (Altium
3、 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 134.1 画出电路图以及封装电路图 134.1.1画出K9F080U0B芯片的元器件引脚图及封装 134.1.2画出IC1114芯片的元器件引脚图及封装 144.1.3画出U盘的总电路图 144.2画出PCB以及封装PCB15致谢 17参考文献 18附录 19第一章引言1.1什么是U盘U盘,全称“ USB闪存盘,英文名“ USB flas
4、h 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1-31.2 U盘的开展历史自1998年至2000年,有很多公司声称自己是第一个创造了 USB闪存盘.包括 中国朗科
5、科技,以色列 M-Systems,新加坡Trek公司.但是真正获得U盘根底性发 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年来创造专利的空白.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根底创造专利,美国专利号US6829672.这一专利权的获得,最终结束了这场
6、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US6829672.2021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 外乡收到巨额专利许可费用.也进一步证实了朗科是U盘的全球创造者.现在的闪存盘都支持USB2.0标准；然而,由于NAND闪存技术上的限制,它们 的读写速度目前还无法到达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
7、了双通道的限制器,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盘的开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本钱,于是也降低了整体的本钱.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. Kan guru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.Lex
8、ar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限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.随着社会的开展, 消费者审美观的变化和选择性增多, 对产品的购置要求也随之 提升.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盘作为闪存的根本功能, 但
9、是现在一说到U盘,很多细分的产品类别都可以列举出来,一一外观的多样化细分：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 Desig ner Summer 09) 的介绍原名protel,从2004年开始更名为protel dxp 而后是新版 Altium Designer6.06.9以后开始了以年份命名.图2-1Altium Desig ner 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立下一代
10、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设想.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良 测试点的分配和治理、精简嵌入式软件开发、软设计中智能化调试和流畅的Lice nse治理等功能.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
11、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, 用于标准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,主机限制器初始化所有的数据传输.每个总线执行动作根据传输前制定的原那么, 最多传输三个数据包. 每次传输开始, 主机限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
12、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, 以说明传输是否成功. 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：限制(control)方式传 输,等时( isochronous )方式传输,中断( interrupt )方
13、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) 限制方式传输限制传输是双向传输, 数据量通常较小. 限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限制通道.每种外设都支 持限制传输类型,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 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
14、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,假设外设超过当前或潜在的带宽分配
15、要求,那么主机将 拒绝与外设进行数据传输. 等时和中断传输类型的终端保存带宽, 并保证数据按一定 的速率传输,集中和限制终端按可用的最正确带宽来传输数据.但是,10%的带宽为批传输和限制传输保存,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盘的结构根本上由五局部组成：USB端口、主控芯片、FLAS闪存芯片、PCB 底板、外壳封装.U盘的根本工作原理也比拟简单：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治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根本相同, 是保存数
16、据的实体,其特点是断电后数据不会丧失,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盘的必要组件冈存盘内謎 结构(烝片中为5冒 itecfia USB 1.1 闪存 盘)1Type-A U3B 插头2USB大歳存储设备限制器3和试播点4片5石英振茹器6发光二极管(LED)7写入保护开关B预留给第二甄 存储器芯片的 空司图3-1通常一个闪存盘有三个局部：Type-A USB 插头提供连接到电脑的接口USB大量存储设备限制器提供USB设备限制器及与闪存沟通
17、的接口.此限制器含有一个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.石英振荡器供给设备运作所需的12MHZ寸序信号,并且限制设备的数据输出.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,预防数据被改写.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.U
18、SB连接头的盖子减少由于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,以预防盖子的遗失.小环有时在本体或盖子上有一个小环,能够让钥匙圈、颈链或其它帮助携带与存 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7. PACKAGE & FINAL PRODUCT INFORMATIONType|Body Size (tnrn)Pin Length (min)48 pin LQFP7x7 x L4 H0.75图3-2IC1114的封装如图3-3所示iiiiii
19、川 illiiiiiiiiiiii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K9F08DUD芯片的封装TSSO12X20-G48/P.5如图4-1所示43MOM申1?7图4-1由于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局部采用 SME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+TDPLBPCIVDDDrn. i izj.X s S5-口杜 咅玄一J-C7-變-玉F-L亞 匕雙击； p 兰 o duUA 囂1/-24至22复I；rIF图4-34.1.3画出U盘
20、的总电路图基于以上根底,利用画好的存储器K9F08DUDU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,然后排列整洁,统一连线,完成 后的电路原理总电路图如图4-3所示.雌*亠二二J;一.JSr4.2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工程的关键,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.C15cinu*I *vi rri I图4-5就斗 cia cs Qt nCL3 Cl 4 ULC5*()0
21、 MCle； 017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,从课题选择到工程完成,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技术根底第2版机械工业出版社200
22、52 陈启美丁传锁,计算机USB接口技术M南京大学出版社20033 :/baike.baidu /view/857.htm4 :/ tyut.eduQ n/keche ng1/2021/site04/courseware/chapter8/8.3.2.htm5 :/baike.baidu /view/2043956.htm6 :/888.pp51 /ZIP000VFVF/za/113.zip7 :/ doci n. com/p-2460726.html8 :/ chi navalue .n et/Blog/527023.aspx9 :/image.baidu /i7t n=baiduimage
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