多功能U盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（二等獎(jiǎng)）

北京化工大學(xué)第六屆“萌芽杯”參賽作品作品名稱多功能U盤作品類別 科技發(fā)明類學(xué)院名稱 信息學(xué)院負(fù)責(zé)人姓名 周歡導(dǎo)師姓名 周靖林2010年6月3日多功能U盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)周歡、樓志江、馬嘯、劉雨、曾永權(quán)（北京化工大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系，北京，100029）摘要：U盤自問(wèn)世以來(lái)，以其穩(wěn)定的存儲(chǔ)能力和優(yōu)秀的傳輸性能贏得廣大用戶的認(rèn)可。移動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展迅速，U盤向著大容量、多功能的方向發(fā)展。我們針對(duì)學(xué)生群體追求方便、新奇的需要，在U盤上集中了更多實(shí)用、高效的技術(shù)，在不干擾其正常傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使之具有鋰電照明和應(yīng)急充電的新功能。整合U盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，多個(gè)功能相互協(xié)調(diào)，各自發(fā)揮出更高的效率，節(jié)省資源，互利共贏。關(guān)鍵詞：USB；多功能；芯片管理。ThedesignandmakingofMultifunctionalUSBFlashDriverHuanZhou,ZhijiangLou,XiaoMa,YuLiu,YongquanZeng(BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing,100029)AbstractSincetheinventionofUdish,itwasrecognizedbyavastnumberofusersbecauseofitsstablestorageandtransmissioncapacity.Withmobilestoragetechnologydevelopingrapidly,Udishisdevelopingtowardsthedirectionofhighcapacityandmoremultifunctional.Inordertomeettheneedsofstudents'pursuingconvenienceandbringthemadifferentfeeling,morepracticalandeffectivefunctionwasaddedtotheUdish--emergencychargingandlighting,withoutinterferingitsdatatransmission.werebuiltitsinnerformandintegratethoseseveralpartsindifferentfunction.workefficiencywasimprovedtogainmorebenefitswhilelessresourcewasused.KeywordsUSB;multifunction;slugcontrol.目錄第一章前沿..........................................（4）第二章各元件原理....................................（4）第2.1節(jié)USB接口原理.................................（4）第2.2節(jié)優(yōu)盤存儲(chǔ)原理.................................（5）第2.3節(jié)鋰電池工作原理...............................（5）第2.4節(jié)相關(guān)芯片的功能...............................（5）第三章多功能優(yōu)盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).........................（6）第3.1節(jié)設(shè)計(jì)方案的提出...............................（6）第3.2節(jié)電路設(shè)計(jì).....................................（6）第3.3節(jié)電路的整合...................................（9）第3.4節(jié)模擬與實(shí)物檢測(cè)...............................（10）第四章結(jié)論...........................................（12）參考文獻(xiàn)...............................................（12）致謝...................................................（13）第一章前言U盤，全稱“USB接口移動(dòng)硬盤”，英文名“USBremovable（mobile)harddisk”。U盤的稱呼最早來(lái)源于朗科公司生產(chǎn)的一種新型存儲(chǔ)設(shè)備，名曰“優(yōu)盤”，也叫“移動(dòng)硬盤”。U盤的歷史不算長(zhǎng)，它最早出現(xiàn)在1999年，為了解決軟盤驅(qū)動(dòng)器的不安全、容量低等問(wèn)題，令用戶使用更具個(gè)性化。工程師嘗試使用USB接口進(jìn)行連接，USB接口就連到電腦的主機(jī)后，U盤的資料就可放到電腦上了。電腦上的數(shù)據(jù)也可以放到U盤上，很方便。其最大的特點(diǎn)就是：小巧便于攜帶、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜。前幾年還屬于奢侈品的U盤，如今已放下身價(jià)，日益走近普通消費(fèi)者。和傳統(tǒng)的三英寸盤相比，U盤不僅大肚能容，裝得下各式各樣“身材”龐大的照片、音樂(lè)、游戲，它還不易受到外界破壞，能更好地保證數(shù)據(jù)安全。隨著科技的不斷進(jìn)步，優(yōu)盤更朝著大容量、多功能的方向發(fā)展，例如：香港萬(wàn)聯(lián)有限公司生產(chǎn)的“特酷多功能U盤”具有打電話、玩游戲等功能，而廣州市晶科電子有限公司生產(chǎn)的“MT-U16激光U盤筆”更是兼具了移動(dòng)存儲(chǔ)、圓珠筆、激光棒三者的功能。相對(duì)于普通的優(yōu)盤而言，多功能優(yōu)盤以功能強(qiáng)大，便于使用，吸引了較多的消費(fèi)者。其由此可見(jiàn)，U盤功能的多樣化，是U盤發(fā)展的必然趨勢(shì)。第二章各個(gè)元件的原理第2.1節(jié)USB接口原理圖2·1USB接口原理圖U盤與電腦的數(shù)據(jù)傳輸依靠的是USB接口，USB是一種常用的PC接口，他只有4根線（如右圖），兩根電源兩根信號(hào)，故信號(hào)是串行傳輸?shù)?，USB接口也稱為串行口?？梢詽M足各種工業(yè)和民用需要.USB接口的輸出電壓和電流是：+5V500mA實(shí)際上有誤差，最大不能超過(guò)+/-0.2V，也就是4.8-5.2V。USB接口的4根線一般是下面這樣分配的（需要注意的是千萬(wàn)不要把正負(fù)極弄反了，否則會(huì)燒掉USB設(shè)備或者電腦的南橋芯片）：黑線GND紅線VCC綠線DATA+白線DATA-圖2·1USB接口原理圖第2.2節(jié)優(yōu)盤存儲(chǔ)原理圖2·圖2·2優(yōu)盤內(nèi)部圖第2.3節(jié)鋰電池工作原理鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成，負(fù)極則是特殊分子結(jié)構(gòu)的碳．常見(jiàn)的正極材料主要成分為L(zhǎng)iCoO2。鋰電池的充電：根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報(bào)廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉(zhuǎn)入恒壓充電。充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。鋰電池的放電：因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應(yīng)縮短。放電終止電壓通常為3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。電池放電時(shí)間長(zhǎng)短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間（小時(shí)）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流(mA)不應(yīng)超過(guò)電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以內(nèi)）否則會(huì)使電池?fù)p壞。第2.4節(jié)芯片的功能1）CN3051A:-可以用USB口或交流適配器對(duì)單節(jié)鋰電池充電-片內(nèi)功率晶體管-不需要外部阻流二極管和電流檢測(cè)電阻-輸出電壓4.1V或4.2V，精度可達(dá)1%-在電池電壓較低時(shí)采用小電流的預(yù)充電模式充電-用戶可編程的恒流充電電流可達(dá)500mA-采用恒流/恒壓模式充電-電源電壓掉電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式-狀態(tài)指示輸出可驅(qū)動(dòng)LED或與單片機(jī)接口-電池溫度監(jiān)測(cè)功能2）MAX756：-MAX756接受積極的輸入電壓0.7V而且將它轉(zhuǎn)換成3.3V或5V的比較高可選擇的輸出電壓。-20mA充電的效率為87%，靜態(tài)電流為60μA-20μA的關(guān)閉模式和LBI檢波器-500kHz最大開(kāi)關(guān)頻率-溫度誤差±1.5%-最低電池檢波器(LBI/LBO)第三章多功能優(yōu)盤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第3.1節(jié)設(shè)計(jì)方案的提出傳統(tǒng)的優(yōu)盤只有存儲(chǔ)功能，為了使其使用更加方便，充分利用USB接口的空閑時(shí)間。我們決定在優(yōu)盤原有的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)功能：照明功能：利用USB接口對(duì)鋰電池充電，需要時(shí)利用一個(gè)LED二極管進(jìn)行照明，鋰電池供電。應(yīng)急充電器功能：利用升壓電路將電池電壓升值5v，從而可以通過(guò)usb接口對(duì)外部電器（如mp3/mp4播放器等）進(jìn)行應(yīng)急供電。3.2電路設(shè)計(jì)功能一：圖3·1CN3051A芯片電路圖電路圖如圖1所示，我們利用CN3501芯片將USB端口輸入的5V電壓轉(zhuǎn)化為4.1~4.2V的電壓對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，圖中Riset的作用是對(duì)充電電流進(jìn)行控制，使其控制在100mA以內(nèi)。在恒流模式，計(jì)算充電電流的公式為：其中，表示充電電流，單位為安培表示ISET管教到地的電阻，單位為歐姆為了保證良好的穩(wěn)定性和溫度特性，建議使用精度為1%的金屬膜電阻。通過(guò)測(cè)量ISET管腳的電壓可以檢測(cè)充電電流。充電電流可以用下面的公式計(jì)算：圖3·2充電過(guò)程示意圖功能二：電路圖如圖2所示，此時(shí)電源電壓U1為3.8V，通過(guò)R2分壓，使U2位于2~3V之間，此時(shí)芯片MAX756就能正常工作，將電壓升至5V，從而達(dá)到外接電器的供電要求。2端口保持低電平，實(shí)現(xiàn)5V輸出功能。LBI在輸入電流低于1.25V時(shí)切斷內(nèi)部電路，L電感用于在電路通斷時(shí)減緩電流沖擊，輸入電壓在1.25V以下時(shí)，直接通過(guò)電感與輸出端相連。圖3·3MAX756芯片電路圖第3.3節(jié)電路整合3.3.1、整合電路：經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析研究，我們整合了以上兩個(gè)功能模塊，其中加入了必要的元件R2分擔(dān)MAX756的工作電壓，Port端口并入U(xiǎn)盤接口，在電容C1及所有共地點(diǎn)的調(diào)節(jié)下，電路噪聲降到允許范圍內(nèi)，不會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸，這樣就實(shí)現(xiàn)了U盤工作時(shí)傳輸數(shù)據(jù)與充電同時(shí)進(jìn)行的功能。最后優(yōu)化的電路如下：圖3·4最后優(yōu)化電路圖3.3.2、電路完整工作過(guò)程：1號(hào)PORT端口連接USB輸入端口，當(dāng)U盤連接計(jì)算機(jī)時(shí)，輸入電壓大于低電壓檢測(cè)閾值和電池端電壓，CN3051開(kāi)始對(duì)電池充電，CHRG管腳輸出低電平，D1紅色發(fā)光二極管亮，表示充電正在進(jìn)行。輸入端（FB）的電壓不低于3V，跳過(guò)小電流預(yù)充電階段，首先進(jìn)入恒流充電，充電電流由限制在100mA以內(nèi)。輸入端（FB）的電壓很快接近電池端調(diào)制電壓，充電電流逐漸減小，CN3051進(jìn)入恒壓充電模式，當(dāng)輸入電壓大于4.45v，并且充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí)，充電周期結(jié)束。充電結(jié)束閾值是恒流充電電流的10%。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時(shí)，充電器進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA。滿充后電池中儲(chǔ)存的電量供白光LED工作，其輸出電壓約為3.8V，此時(shí)通過(guò)R2分壓，將MAX756芯片的5端口電壓控制在2-3V，使之正常工作，通過(guò)芯片的穩(wěn)壓升壓作用，給2端口PORT提供5V直流電壓，最大電流200mA。2端口設(shè)計(jì)為USB接口，直接對(duì)MP3等電子設(shè)備應(yīng)急供電。第3.4節(jié)模擬與實(shí)物檢測(cè)由于模擬軟件不支持芯片控制功能，我們搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)物模擬。圖3·5搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖3·6用萬(wàn)能板完成的模擬電路其中一次92min充電實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如下：圖3·7實(shí)際充電過(guò)程電壓變化曲線圖3·8實(shí)際充電過(guò)程電流變化曲線對(duì)照充電效果圖，可以看出電路在計(jì)算機(jī)USB接口上能夠進(jìn)行安全穩(wěn)定的充電，CN3051很好的控制了充電電壓的穩(wěn)定，電池電壓保持在4.0v左右，電流隨著電池內(nèi)部電子的飽和而逐漸下降。我們估算，4.0v穩(wěn)壓充電使電池充滿，約需2小時(shí)。我們使用一片180mAh小型鋰電池，滿充后可供一個(gè)直徑5mm的白光LED工作5個(gè)小時(shí)以上。第四章結(jié)論本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種多功能的優(yōu)盤，通過(guò)對(duì)電源的降壓，穩(wěn)壓，升壓，限流等操作，將照明與應(yīng)急充電兩個(gè)功能巧妙整合到普通U盤上，電能轉(zhuǎn)換效率高，且無(wú)相互干擾，很大程度上提高了U盤的時(shí)間空間利用率。改造后U盤體積小巧，使用方便，