40基于usb接口的读卡器的设计本科学位论文.docx

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40基于usb接口的读卡器的设计本科学位论文

摘要

随着计算机技术的发展，人们处理的文件体积越来越大，现在人们对于移动办公和数码产品存储的要求也越来越高，普通的软驱存储容量以不能满足人们的需要，因此各种各样的存储卡（CompactFlash、SmartMedia、MemoryStick等）的面世满足了用户对大容量数据存储的要求。

那存储卡的数据怎么转移到PC上呢？

利用原始的主机设备（如数码相机、MP3播放器等）吗？

你会发现数据传输速度慢得让人沮丧。

。

。

。

这时你就需要读卡器了，读卡器就可以使存储卡成为计算机的便携式的存储介质，它就是连接移动存储媒介和计算机的接口设备。

可以以比使用串行接口的原始主机设备更快的速度上传或是下载图片、音乐或是其他的数据。

本文首先介绍了读卡器的发展状况以及基于USB接口的读卡器的设计目的和意义，其中也对市场上流行的存储卡有简单的描述。

第二章“USB技术的简单介绍”介绍了USB（UniversalSerialBus,通用串行总线）的发展历程，优点和缺点，以及和其他的接口（例如RS-232,IEEE-1394等）的比较，USB通信的基本原理。

第三章讲的是基于USB接口的读卡器的设计和实现，总体框架设计和功能设计，方案选定和原理图设计，最后是印制电路板的设计。

关键字：

读卡器；存储卡的硬件接口；通用串行总线；USB基本原理

ABSTRACT

Withthedevelopmentofcomputertechnology,thefilepeopledealwithisbiggerandbigger.Now,people’sdemandishigherandhigherforthedatastorageofmobileworkanddigitalproducts.Thecommonfloppydrivestoragecannotmeetthepeople’sexpectations.Asaresult,thereappearedagreatvarietyofflashmemory（suchasCompactFlash、SmartMedia、MemoryStick）tosatisfypeoplewhoneededmassstorageofdata.However,howdidyoutransferthedatatopersonalcomputer?

Maybeyouwillchoosetheoriginalhostdevice（suchasadigitalcameraorMP3player）.Youwillfindtheslowdatatransferspeedmadeyousodepression.Thenyouneedtheflashcardreader.Theflashcardreaderallowsflashcardstobeusedasportablestorageforcomputers.Itistheinterfacedeviceofcomputerandmobilestoragemedium.Theflashcardreadercanenabletheuploadinganddownloadingofdataathigherspeedsthanahostdeviceusingaserialinterface.

Forthefirst,thetextintroducethedevelopmentstatusoftheflashcardreader,thedesignpurposeoftheflashcardreaderusingUSBinterfaceandsomeoftheflashcardsavailableinthemarket.Secondchapter,thesimpledescriptionofUSBisconsistofthedevelopmentcourseofUSB（UniversalSerialBus）,advantage&disadvantage,comparewithotherinterfaces（suchasRS-232,IEEE-1394）,therationaleofUSBcommunication.Thirdchapterintroducethedesignandimplementofflashcardreader.Thispartcomprisesthegeneralframedesign&thefunctiondesign,projectselection&principlechartdesign,andthePCB（PrintedCircuitBoard）design.

Keyword:

theflashreader；thehardinterfaceofflashmemory；USB（UniversalSerialBus）；therationaleofUSBcommunication

第一章绪论

1.1读卡器的发展状况

1.1.1读卡器的出现

提起读卡器，很多人都立即会想到这种产品是配合数码相机而产生的，不过目前已经不再局限于数码相机使用了，而是扩展到了更多的领域。

“读卡器”顾名思义是一种读取数据的设备，但其不单单可以支持数据的读取同样支持数据的写入。

其初期的设计思路主要是为了弥补数码相机数据输出的缺陷而产生的。

由于早期USB接口并不普及，因此数码相机的输出口都是同电脑的串口连接的，由于串口的数据传输速度很低，如果把这些数据拷贝到硬盘上，那就要花费大量的等待时间了。

因此，读卡器就应运而生了。

1.1.2各种固体可移动存储卡的简单介绍

PC和便携式设备的移动外部存储介质，现以有多种标准，其各自有着一定的优点，以下是对各种存储卡的简单介绍

1.CF卡

CF卡的全称是"CompactFlash",由当时最大的FlashMemory卡厂商之一美国SanDisk公司于1994年推出的。

大小为43mmx36mmx3.3mm，重量大约在15克以内　CF卡使用FLASH作为存储媒介，无需供电也能保存资料，而且工作时耗电量也很低，3.3V，5V外电压通用，其耗电量只相当于传统存储设备如磁带、硬盘的3%或更低，适合用在移动设备上。

由于推出时间早，所以发展上较为成熟，采用ATA协议的CompactFlash的接口为50针。

由于应用较早加上容量上的优势，目前很多款数码相机上都是使用这种闪存卡来作为存储介质，而且兼容性较好，可用在PCCardTypeII型兼容插槽上。

市面上也有很多读卡设备支持，但是它过大的体积和重量则将限制它的发展。

新推出的CF卡ElitePro。

采用50X，比CF卡的读写速度要快很多，支持双电压，分别是3.3V和5V两种，它也可用在PCCardTypeII型兼容插槽上。

2.SM卡

SM卡的全称是"SmartMedia"，由东芝公司（TAEC）于1995年11月发布的FlashMemory存贮卡，三星公司和东芝公司是最主要的SmartMedia厂商。

从它的体积来说，45mmx37mmx0.76mm使它成为当时最薄的FlashMemory存贮卡，仅重1.8克。

接口方面，SmartMedia采用了单面22针的接口，我们在卡外部只能看到扁平的金手指。

驱动电压3.3V。

由于控制格式的不统一，在以前它的兼容性则不太好，往往出现格式互不兼容的现象，有时会出现不同厂商的数码相机或MP3上使用的SM卡互不能直接使用，或者新的大容量SM卡不能被旧的SM读取设备所读取等怪现象，但是现在东芝公司则力图统一这种控制格式，希望可以提高它的兼容水平。

早期设计上的问题使得它在兼容性上有不少缺点。

3.MMC卡

MMC的全称是"MultiMediaCard"，是一种小巧大容量的快闪存储卡,由西门子公司Siemens（现在称为Infineon）和首推CF的SanDisk于1997年推出。

由于它的封装技术较为先进，而且目前已经相当成熟，它的外形尺寸大约为32mm×24mm×1.4mm，重量在2克以下，7针引脚，它的体积甚至比SmartMedia还要小，不怕冲击，可反复读写记录30万次,驱动电压3.3V,现在这种闪存卡已广泛用于移动电话，数码相机，数码摄像机，MP3等多种数码产品上。

体积小重量轻非常符合移动存储的需要，而且它的构架更为简单，在兼容性来说也不错，可与SD插槽兼容，相互不同的设备之间是可以通用的，就目前来看MMC卡是应用最多、最广泛的存储卡之一。

其微缩版RS-MMC卡仅在长度方面作了裁减，接口方面则与MMC保持一致，通过一个适配器（Dongle）便可以还原为一张普通的MMC卡。

　　MMCA组织习惯针对不同的终端市场推出不同的存储卡。

MMCplus与MMCmobile将分别对应MMC和RS-MMC的尺寸，MMCplus的引脚数为13，尺寸跟MMC一样大，增加的引脚主要用于大幅提高传输速率。

MMCmobile的引脚数为8，支持双电压操作模式（1.8V/3V），尺寸为18mm×24mm×1.4mm。

MMCA组织表示，MMCplus与MMCmobile卡可被MMC读卡设备兼容，并提供最高52MHzX8bit的数据传送速率，可以极大的减少存取时的功率损耗和搜索文件的时间。

另外MMCA组织还推出了一种MMCmicro的存储卡，它的引脚数为10，现已获得诺基亚、三星等手机厂商的支持。

MMCmicro卡与RS-MMC相比，尺寸更小，功耗也更低，存取速度方面则和MMCmobile相当。

4.SD卡

SD卡的全称是"SecureDigital"，意为“安全数码”，它是由日本两大电器集团松下电器、东芝和SanDisk联合推出，1999年8月首次发布。

由于SD卡数据传送和物理规范皆由MMC发展而来，因此大小和MMC差不多，尺寸为32mmx24mmx2.1mm。

仅是比MMC是厚了0.7mm，以容纳更大容量的存贮单元，重量上也秉承了MMC的轻重量，仅重约1.6克。

　SD的插槽可以兼容最新版本的MMC卡。

从外观上的区别来看，由于SD接口除了保留MMC的7针外，还在两边加多了2针作为数据线，并且带了物理写保护开关，可防止存储的数据被误删除。

在容量方面，目前市场上已经有为了适应小型化，SD卡推出了MiniSD卡，引脚数为11，尺寸为20mmx21.5mmx1.4mm。

还有microSD卡，引脚数为8，尺寸为15mmx11mmx1mm。

两种卡的驱动电压都还是2.7-3.6V,主要也是进攻手机、PDA、掌上电脑的信息终端。

通过适配器可以转接为标准的SD卡。

SD卡的确有着很不俗的发展潜力，几乎集各种优点于一身，甚至号称在版权保护方面是安全级别最高的FlashMemory。

5.MS卡

自从1997年7月SONY宣布开发MemoryStick以来，MemoryStick已经在Sony全系列产品上得到充分应用。

数码设备的产品线最为丰富的SONY甚至力图使这种FlashMemory成为业界标准。

SONY自己称它的中文名字是记忆棒，其实它的大小为50mmx21.5mmx0.28mm，重量4克。

接口是由单一平面的10针接合器连独立针槽，并具有写保护开关。

在越来越强调的版权保护需求中，在1999年12月Sony推出了新的MagicGateMemoryStick，主要的变化在于加入了称为MagicGate的Sony专利的版权保护技术，遵从SDMI的标准。

SONY的MemoryStick卡中，因外形尺寸大小的不同，又分成三种规格，即MemoryStick、MemoryStickPRO、MemoryStickDUO。

带有“PRO”字样的记忆棒速度更快，功耗也更低。

MemoryStickDuo或者MemoryStickPRODuo都可以通过适配器转换成普通的MemoryStick或者MemoryStickPRO。

1.1.3读卡器的发展状况

随着MP3、PDA、数码相机、摄像机、等数码产品的发展，卡式数据存储介质使用也随之增多。

有力的推动了读卡器的发展。

目前MP3标配的128M或者256M闪存明显的已经不能满足我们的需要了，因此添置512M的闪存或更大容量的闪存成了我们的标准配置，但我们如果要把MP3歌曲拷贝到闪存上的话，只有通过MP3播放器来进行，而这个时候我们就需要专用的连线、驱动和软件才能完成，这样MP3播放器的可以便携性就差了很多，而如果这个时候我们使用读卡器的话，完全不需要MP3播放器的干预，直接就可以把MP3歌曲存放到闪存上，这样MP3就变得使用更方便了。

除了为上述的数码设备提供便捷的数据转移的用处之外，目前读卡器还被大量的运用在移动的数据存储上。

现在流行的U盘，如朗科优盘、鲁文易盘、爱国者迷你王，它们将USB控制器与闪存芯片集成在一起，体积十分小巧，对于大容量的数据传输十分方便。

若使用读卡器与存储卡的组合也可以提供U盘相同的效果，存储卡主要有CF卡和SM卡，它们都使用闪存芯片，在MP3播放器、数码相机、PDA等设备上广泛使用。

当USB读卡器插上存储卡后，就相当于一个移动电子硬盘了。

这样轻巧方便的闪存卡就成为我们目前方便的移动存储媒介了，而读卡器则是这些闪存用来交换数据的最方便设备。

它们性能与U盘相当，体积也不大。

此外，这种组合方式具有极强的扩展能力。

目前存储卡的价格不断下跌，如果以后你需要增加容量，可以直接购买存储卡，其价格将比同容量的整体电子硬盘便宜许多。

而且如果你以后购置数码相机或MP3播放器等设备，存储卡可以直接使用在上边，保护了你的投资。

目前市场上主要的闪存或者多媒体卡主要为：

CompactFlash（CF）TypeI/II、MicroDrive、SmartMedia（SM）、MemoryStick（MS）、MemoryStickPro（MSPro）、MemoryStickDuo（MSDuo）、SecureDigital（SD）、miniSD、MultiMediaCard（MMC）、xDPictureCard以及NAND等众多格式。

按照读取的闪存种类来分，读卡器又被分为单功能读卡器、多功能读卡器。

●单功能读卡器和多功能读卡器的诞生

单功能读卡器一般只能读取一种类型的闪存卡，如CF读卡器只能读取CF闪存卡，SM读卡器只能读取SM闪存卡，MMC读卡器只能读MMC闪存卡等等，这类读卡器的价格较低，使用起来也挺方便的，如果手上只有一种类型的闪存卡，那么单功能读卡器则是比较节约却不错的选择。

但是如果拥有了2个或以上使用不同闪存的数码设备呢？

如果需要频繁交换CF或者SM等类型的文件呢？

这时候，或许就应该考虑配备一个多功能的读卡器了。

那样就不需要接上太多的连接线，也不需要为各种不同的设备安装不同的驱动程序和图片/音频的传输应用软件。

在数码照相机DC、数字录像机DV，MP3播放器以及家庭多媒体设备成扩散性普及的今天，由于制造商所使用的存储卡规格不同，使用户在进行数据保存、整理、导入或导出等过程变得复杂而麻烦，在这种情况下，多功能读卡器便应运而生了。

多功能读卡器给我们提供了一个完整的解决方案，它的特点就是能通吃各种不同规格的存储卡，真正做到一卡在手，万事无忧。

目前市场中的存储卡种类之多已经到了令人眼花缭乱的地步，我们所熟知的就包括CompactFlash（CFⅠ/Ⅱ卡），SmartMedia（SM卡），Multi-MediaCard（MMC卡），IBM的微型硬盘MicroDrive（MD），SecureDigitalCard（SD卡）和SONY记忆棒（MemoryStick/Pro）这6个大的种类，再加上推出时间较短、格式较新的SONYMemoryStickDuo/MemoryStickProDuo以及Fujifilm和Olympus共同推出的xD-PictureCard等，存储卡的种类可多达十多种，如果每一款存储卡都使用单独的读卡器的话，那真是一件无法想象的事情。

所以多功能读卡器的出现便成功架起了不同存储设备之间的桥梁，它为交换数据提供了更方便的解决办法，它的出现是十分有必要而且必须的。

●传输接口的进化

当然，光有功能上的加强自然不能满足用户的需求，消费者对传输速度的要求也在日益提高。

刚开始的时候曾出现过采用并口或串口的读卡器，不过由于这种产品接口速度过慢，而且安装不方便，已经基本被淘汰了，市场很快地就被后来的USB读卡器取代了。

采用USB接口的读卡器拥有读写速度快，即插即用等优势，凡是用过USB设备的人都了解它的即插即用特性，当连接USB外设到PC机时，系统会自动检测到该设备并自动进行配置。

这样就不再需要打开机箱，不再需要设置DIP开关或中断号（IRQ），也就是所谓“热插拔”技术。

而且随着自供电设备的不断增多，设备甚至可以直接从USB接口获取电源，这样也就可以省去复杂的电源连线，这无疑都是USB很优秀的特点。

USB1.1接口的读卡器能达到12Mbps的传输率，而USB2.0接口的传输率则能达到USB1.1接口的40倍为480Mbps。

但是随着存储卡技术的不断发展，当前最快的CF卡的读取速度已能达到5～6MB/s以上，此时原先的USB1.1接口早已不能满足存储卡的速度要求，因此，在未来的日子里USB2.0读卡器会逐步取代USB1.1读卡器成为主流。

除了上述提到的读卡器接口之外，实际上还有PCMICA卡读卡器以及IEEE1394读卡器，前者主要被应用于笔记本电脑上，后者（IEEE1394）的理论传输率为400Mbps，相比之下要比USB2.0的480Mbps要慢一些，但目前USB2.0的实际传输率和理论传输率相差太远，所以IEEE1394接口在实际应用中要比USB2.0快，而且现在1394标准的已经出现“b”版本传输速度达到更快的3.2Gbps。

可惜因为IEEE1394火线接口不像USB接口那样普及，限制了它目前的应用范围。

●多功能读卡器的未来趋势

随着新格式存储卡的不断推出，多功能读卡器的功能也在进一步完善，支持目前所有存储卡格式的多功能读卡器也已经出现在市场之上。

当然，除了在功能上的完善之外，传输速度的提升也是必然的事情，随着更多IEEE1394接口的产品出现，火线接口被广泛应用之后，我们不难想象，今后采用1394接口的多功能读卡器也会像现在的USB读卡器一样盛行。

只是，除了功能和速度上的进步以外，多功能读卡器的发展趋势就如此单一吗？

当然不是。

“数码相机伴侣”就结合了多功能读卡器和移动硬盘于一身。

“数码相机伴侣”自带LCD屏幕和锂电池，我们可以在脱机的情况下进行资料的转换和保存，内置的移动硬盘为数码相机、摄像机、MP3等数码产品提供了巨大的（相对）存储空间。

另外目前已经有产品在数码相机伴侣的基础上进行功能的叠加，一种是增加了播放MP3的功能，利用了原先内置移动硬盘的优势，使产品变成了MP3音乐库，其性质就像是在苹果的iPOD上增加了读卡器功能；另一种是在数码相机伴侣上整合了COMBO的功能，让它也变成了一台外置式的光存储设备，数码相机伴侣设备越来越整合化。

再来看下面一则消息：

2003年12月22日，VIA威盛发布了最新的9in1USB2.0闪存读卡器模块，型号为VectroVT6205。

VectroVT6205将支持包括CompactFlash（CF）TypeI/II、MicroDrive、SmartMedia（SM）、MemoryStick（MS）、MemoryStickPro（MSPro）、SecureDigital（SD）、MultiMediaCard（MMC）、xDPictureCard以及NAND等众多格式的存储卡，该模块可通过PCI扩展卡或者板上整合的方式投入使用。

威盛发布的这块USB2.0闪存读卡器模块的定位明显是针对整合式主板或者内置式读卡器而推出的，从本质上来讲，内置和外置读卡器是没有区别的，但内置读卡器在成本上却占据了很大的优势；另外，主板制造商也完全可以在主板上集成VectroVT6205模块，再提供一个输入输出通道就能把读卡器功能直接整合到PC主机上去，也就是说，内置式或者主板整合式的多功能读卡器将会逐渐成为趋势。

多功能读卡器今后的发展方向归纳起来有以下3点：

1、提供更多的支持格式，在传输速度上进一步加强。

2、内置式读卡器会占据一定市场比例，但主流市场还是以外置式读卡器为主。

3、更多的All-in-one产品的出现，诸如“数码相机伴侣”的同类产品市场份额逐渐增多，因为他们和读卡器所针对的用户群有很大程度的交集。

1.2基于USB接口的读卡器的设计目和意义

如今的百万象素数码相机使用闪速闪存卡来存储它们的照片数据。

一旦此内存卡被存满了数据，就需要把数据下载到一个PC主机来存储或进行操作。

有许多数据要从一个相机下载，即使以115.2K速率运行在一个串行连接上，下载8张照片可能占用超过5分钟的时间。

当更大的内存卡存储了更多的数据时，延迟变得使人更加沮丧。

使用一个USB读卡器就提供了一个很好的方案。

读卡器不仅仅能读而且还能进行写存储卡的操作，使得数据的迁移更容易、更快速。

而且随着数码摄象机、MP3播放器、PDA、数字录音设备使用量的增加，卡式数据存储介质如PCMCIA、CompactFlash、SM、MMC、MS、SDRAM等等。

使用也随之增多。

已出现客户使用存储卡将数码照相机、摄象机拍摄的数字照片交给数码照片冲印点制作数码照片，和作为数据交换的介质，另外随着存储卡的容量越来越大，存储卡也被广泛运用到数据备份、存储上，这就使得各种“阅读”存储卡的读卡器成为了市场的宠儿。

读卡器从接口上来看主要有：

并口读卡器、串口读卡器材、USB读卡器、PCMICA卡读卡器和IEEE1394读卡器。

前两种读卡器由于接口速度慢或者安装不方便已经基本被淘汰了。

USB读卡器是目前市场上最流行的读卡器，PCMICA卡读卡器最主要的被应用在笔记本电脑上，而IEEE1394读卡器由于支持的接口还没有流行，应用还不太广泛。

从客户端的观点来看，USB的优点是容易使用，具有快速与稳定的传输，低价位，省电，以及具有弹性。

这个在第二章会有较详细的介绍。

所以设计基于USB接口的读卡器有着非常实际的意义。

第二章USB技术的简单介绍

2.1USB发展历程

USB是一个新接口，全称是UniversalSerialBus，新接口并不会常常出现，因为人们已经习惯于旧有的接口，对于新接口往往不会立即全盘接受。

如果新接口是建立在旧接口的基础上，则不仅可节省开发的时间以及成本，而且用户也比较能够接受。

IBMPC最早的设计，就是使用已经存在20年的并行端口（Centronicsparallelport）与RS-232串行端口（serialport）.这不仅加速了原始PC设计的流程，并且允许已经在市场上出现的打印机与调制解调器可以立即连接到PC上。

不过随着计算机与外围设备的发展，并行端口与RS－232串行端口反而成为通信的瓶颈，并且越来越严重。

USB突破旧接口的限制，不仅具备