重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 朱仁義 李泓成 張 遼

基于STM32單片機和SDRAM的模擬U盤設(shè)計

重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 朱仁義 李泓成 張 遼

介紹了通過STM32單片機和外掛SDRAM存儲器實現(xiàn)模擬U盤的設(shè)計，給出了系統(tǒng)電路原理圖和單片機模擬U盤的程序流程。單片機在工作過程中可以虛擬出一個USB存儲設(shè)備并將需要的數(shù)據(jù)傳輸給USB主設(shè)備。該方法可以與其他通信系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)對基于USB接口的設(shè)備的自動控制，具有良好的應(yīng)用價值。

STM32F429；SDRAM；模擬U盤

1.引言

目前，USB標準接口[1]已成為通用的數(shù)據(jù)交換接口，應(yīng)用廣泛。例如，市場上大型LED屏的驅(qū)動卡都可以通過USB接口外接U盤來獲取顯示數(shù)據(jù)[2]。然而，普通U盤數(shù)據(jù)只能通過人為更新，無法實時自動更新，因此需要一種無需人工干預(yù)的、可自動更新內(nèi)容的U盤來進行驅(qū)動。類似的應(yīng)用還有很多。

本文設(shè)計的方法可以通過微控制器STM32模擬U盤數(shù)據(jù)，并動態(tài)更改其內(nèi)容，從而為自動更新U盤數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供了參考。

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于Cortex-M4內(nèi)核的新型32位微控制器STM32F429x作為主控芯片。該芯片內(nèi)部集成了全速USB OTG設(shè)備接口模塊和靈活的可變存儲控制器 (FMC) ，單芯片即可完成設(shè)計任務(wù)，避免了復(fù)雜的接口電路設(shè)計，有效地降低了系統(tǒng)接口的復(fù)雜度和系統(tǒng)開發(fā)的難度，在很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)體積小巧、簡單易用，能夠?qū)崿F(xiàn)類似U盤的讀寫操作。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括：USB接口、數(shù)據(jù)存儲SDRAM模塊、USB OTG通信模塊、時鐘和復(fù)位電路、降壓電路等。工作流程如下：系統(tǒng)通過USB接口接到主機后獲得5V電源，微控制器STM32對硬件設(shè)備進行初始化，通過內(nèi)部USB硬件控制器來完成USB設(shè)備的枚舉工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 SDRAM接口電路

虛擬U盤的存儲介質(zhì)采用同步動態(tài)隨機存儲器SDRAM[3]，芯片選擇IS42S16400J，該芯片容量8MHz，頻率143MHz，速度達到7ns，工作溫度范圍-40°-80°，滿足工業(yè)場合的應(yīng)用要求。其容量大小也滿足大多數(shù)LED屏的需求。

STM32F429內(nèi)部集成有FMC（Flexible Memory Controller）可變存儲控制器，可以用于驅(qū)動包括SRAM、SDRAM、NOR FLASH以及NAND FLSAH類型的存儲器，通過STM332F429內(nèi)部集成的可變存儲控制器驅(qū)動外部SDRAM，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了可靠性。

2.2 降壓電路

系統(tǒng)通過USB接口供電，外部主機設(shè)備為系統(tǒng)提供5V電壓，通過降壓芯片AMS1117-3.3得到微控制器STM32的3.3V供電電壓。AMS1117-3.3是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，固定輸出電壓3.3V，精度達到1%，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，輸出電流可以達到1A，滿足本系統(tǒng)的電源要求。降壓電路如圖2所示。

圖2 降壓電路

2.3 USB接口電路

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換通過USB接口實現(xiàn)，STM32F429內(nèi)部集成OTGFS控制器和OTG-HS控制器，本文采用OTG-FS控制器[4-5]，傳輸速度達到12Mb/s，符合應(yīng)用要求。USB接口電路如圖3所示。USB的差分數(shù)據(jù)線D+與D-都串接了22歐匹配電阻，提高了抗干擾能力，D+信號線接1.5K歐上拉電阻到5V，將被主機識別為高速設(shè)備。

圖3 USB接口電路

圖4 系統(tǒng)總體程序流程圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)備的固件程序設(shè)計主要包括：系統(tǒng)時鐘配置、FMC模塊配置和USB OTG模塊配置。總體流程如圖4所示，系統(tǒng)在通過USB線連接外部主機設(shè)備后即上電復(fù)位，初始化外圍設(shè)備并配置系統(tǒng)時鐘，其中特別注意USB時鐘需配置成48MHz，否則模擬U盤無法被主機正確識別。系統(tǒng)在完成FMC配置以及USB OTG配置后進入U盤模式，USB設(shè)備枚舉成功被主機正確識別后即可實現(xiàn)類似U盤的讀寫功能。

意法半導(dǎo)體公司提供了32位STM32F429x系列MCU的固件庫[6]。該固件庫包含了FMC和USB在內(nèi)的各種功能模塊的軟件使用接口，使用該固件庫可以有效節(jié)省用戶產(chǎn)品的開發(fā)和調(diào)試時間。本系統(tǒng)關(guān)鍵的FMC模塊USB OTG模塊配置程序均采用了官方固件庫。

4.結(jié)論

本系統(tǒng)連接電腦后能被正確識別為u盤，能夠完成文件的復(fù)制刪除等操作。由于SDRAM的數(shù)據(jù)掉電丟失特性，不能作為真正的U盤使用。作為LED驅(qū)動卡的數(shù)據(jù)U盤是本系統(tǒng)的應(yīng)用之一，微控制器STM32將LED屏顯示文件直接寫入SDRAM后即更新LED屏顯示內(nèi)容，為無線傳輸數(shù)據(jù)來更新LED屏內(nèi)容的應(yīng)用提供了參考。

[1]陳源,裘正定.基于嵌入式系統(tǒng)的USB接口的設(shè)計[J].計算機工程與應(yīng)用,2004,40(7):110-111.

[2]鮑海軍.單片機控制led顯示屏u盤控制系統(tǒng):CN,CN 2840191 Y[P].2006.

[3]鄧耀華,劉桂雄,吳黎明.高速SDRAM控制器的嵌入式設(shè)計[J].計算機工程,2010,36(16):216-218.

[4]龔躍玲,汪玲彥.基于STM32的USB OTG數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用,2011,30(10):32-34.

[5]方旭.基于STM32處理器的兩種USB通信方法的實現(xiàn)[J].科技信息,2010(21):574+595-596.

[6]張明華.基于固件庫的STM32F107的程序設(shè)計方法探討[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(12):171-171.

朱仁義（1993—），浙江人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于重慶郵電大學(xué)。