STM32 USB_SPI_FLASH 简易U盘设计
这是大三下学期EDA实训的内容，设计制作了一个简易的U盘。
主要涉及STM32单片机、W25Q128闪存芯片、电路板绘制、文件系统移植等内容，发布出来供大家参考。
仅供学习交流使用，实验步骤仅供参考
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1 实验目的
在日常生活中，U盘作为存储介质非常常见。U盘是一种使用USB接口连接计算机，并通过闪存进行数据存储的小型便携存储设备。本次实验将使用STM32单片机，配合W25Q128闪存芯片，绘制电路板并移植文件系统，制作一个简易的U盘存储介质。制作的电路板实物如下图1.1所示。
2 实验原理
2.1 U盘设计原理
本次实验以STM32F103作为主控芯片，以W25Q128作为Flash闪存芯片。主控芯片与闪存之间通过SPI方式进行数据通信。向芯片中移植FAT文件系统，可以将数据以文件的形式进行存储，实现简易的U盘功能。
2.1.1 SPI通信方式
SPI协议是由摩托罗拉公司提出的通讯协议，即串行外围设备接口，是一种高速全双工的通信总线。它的通讯速率较高，被广泛地使用在ADC、LCD等设备与MCU间通信的场合。SPI协议使用三条总线及片选线实现通信，三条总线分别为SCK、MOSI、MISO，片选线为CS ，它们的作用介绍如下。
- CS片选线
SPI协议使用片选信号线来寻址。当主机要选择从设备时，把该从设备的片选信号线设置为低电平，该从设备即被选中。接着主机开始与被选中的从设备进行SPI通讯。 - SCK时钟信号线
时钟信号线用于通讯数据同步。它由通讯主机产生，决定了通讯的速率。不同的设备支持的最高时钟频率不同，两个设备之间通讯时，通讯速率受限于低速设备。 - MOSI主设备输出/从设备输入线
主机的数据从这条信号线输出，从机由这条信号线读入主机发送的数据，即这条线上数据的方向为主机到从机。 - MISO主设备输入/从设备输出线
主机从这条信号线读入数据，从机的数据由这条信号线输出到主机，即在这条线上数据的方向为从机到主机。
2.1.2 文件系统
使用SPI通信方式可以很方便地在Flash芯片上进行数据读写，但是像这样的直接存储数据会带来很大不便。如难以记录有效数据的位置，难以确定存储介质的剩余空间，以及难以确定以何种格式来解读数据等等。
更为高效的存储方式被称为文件系统，它是为了存储和管理数据，而在存储介质中建立的一种组织结构，这些结构包括操作系统引导区、目录和文件。常见的Windows系统下的文件系统格式包括FAT32、NTFS、exFAT。在使用文件系统前，要先对存储介质进行格式化。格式化要先擦除原来内容，在存储介质上新建一个文件分配表和目录，文件系统由此可以记录数据存放的物理地址，剩余空间等信息。
由于文件系统的存在，使我们在存取数据时不再是简单地向某物理地址直接读写，而是要遵循它的读写格式。本次实验通过在芯片中移植FAT文件系统，可以实现对文件的高效存储。
2.2 硬件框架
2.2.1 闪存芯片
本次实验的Flash闪存芯片选用W25Q128JVSIQTR芯片，其容量为16MB。芯片内部分为256个块，每个块大小为64K字节；每个块又分为16个扇区，每个扇区4K字节。W25Q128 的最少擦除单位为一个扇区，也就是每次必须擦除 4K 个字节。其硬件连接如下图2.1所示。
如上图所示，W25Q128封装的CS引脚是芯片的片选信号线，片选线低电平有效，所以外接了一个上拉电阻将电平拉高；DO引脚是芯片的MIOS主机输入线，主控芯片从这条线上读取数据；WP是写保护引脚，外接电源表示关闭写保护，开启数据写入使能；HOLD引脚是芯片的数据暂停引脚，低电平时会暂停数据传输，因此外接了一个高电平电源；CLK引脚是芯片的时钟信号线，用来与主控芯片保持通信频率；DI引脚是芯片的MOSI从设备输入线，主设备在该线将数据输出，从设备在该线接收数据。
2.2.2 稳压芯片
电脑的USB接口一般输出电压是5V，而芯片工作电压在3.3V左右，因此需要使用稳压芯片将5V的输入电压转换为3.3V的输出电压。本次实验中使用的稳压芯片是XC6206P332MR，如下图所示。
2.3 PCB生产工序
PCB生产的具体工作流程为：开料→钻孔→沉铜→图形转移→图形电镀→退膜→蚀刻→绿油阻焊层→添加丝印层→镀金手指→镀锡层→成型→测试→终检→包装寄送。
- 开料是指根据工程资料的要求，在符合要求的大张板材上裁切成符合客户要求的小块生产板料。流程为：大板料→按要求切板→锔板→啤圆角和磨边→开料完成。
- 钻孔是指根据客户要求，在符合要求尺寸的板料上钻出所需的孔径。流程为：叠板销钉→上板→钻孔→下板→检查和修理。
- 沉铜是利用化学方法在绝缘孔壁上沉积上一层薄铜。流程为：粗磨→挂板→铜层沉积→下板→浸1%稀H2SO4→加厚铜。
- 图形转移是将菲林上的图像转移到料板上。图形转移分为蓝油和干膜，蓝油流程为：磨板→印第一面→烘干→印第二面→烘干→爆光→冲影→检查；干膜流程为：磨板→压膜→静置→对位→曝光→静置→冲影→检查。
- 图形电镀是在线路图形裸露的铜皮或孔壁上电镀，以达到要求厚度的铜层与要求厚度的金镍或锡层。工艺流程为：上板→除油→微蚀→水洗→酸洗→镀铜→水洗→浸酸→镀锡→水洗→下板。
- 退膜是指用NaOH溶液退去抗电镀覆盖膜层，使非线路铜层裸露出来。水膜流程为：插架→浸碱→冲洗→擦洗→过机；干膜流程为：放板→过机。
- 蚀刻是利用化学反应法将非线路部位的铜层腐蚀去除。绿油是将绿油菲林的图形转移到板上，起到保护线路和阻止焊接零件时线路上锡的作用。流程为：磨板→印感光绿油→锔板→曝光→冲影；磨板→印第一面→烘板→印第二面→烘板。
- 字符是提供的一种便于辨认的标记。工艺流程为：绿油终锔→冷却静置→调网→印字符→后锔。
- 镀金手指是在金手指上镀上一层要求厚度的镍金层，使之更具有硬度和耐磨性。流程为：上板→除油→水洗两次→微蚀→水洗两次→酸洗→镀铜→水洗→镀镍→水洗→镀金。
- 喷锡是在未覆盖阻焊油的裸露铜面上喷上一层铅锡，以保护铜面不蚀氧化，以保证具有良好的焊接性能。流程为：微蚀→风干→预热→松香涂覆→焊锡涂覆→热风平整→风冷→洗涤风干。
- 成型是指通过模具冲压或数控锣机锣出客户所需要的形状。数据锣机板与啤板的精确度较高，手锣其次，手切板最低具只能做一些简单的外形。
- 通过电子检查可以检测到目视不易发现到的开路，短路等影响功能性的缺陷。流程为：上模→放板→测试→合格→FQC目检→不合格→修理→返测试→OK→REJ→报废。通过目检板件外观缺陷，对轻微缺陷进行修理，避免有问题及缺陷板件流出。工作流程为：来料→查看资料→目检→合格→FQA抽查→合格→包装→不合格→处理→检查OK。
2.4 PCB板层含义及功能
- （1）信号层（Signal Layers）
信号层被用于放置连接数字或模拟信号的铜膜走线。Altium Designer电路板可以有32个信号层，其中Top是顶层，Mid1～30是中间层，Bottom是底层。习惯上Top层又称为元件层，Bottom层又称为焊接层。 - （2）阻焊层（Soldermask Layer）
阻焊层是在铜层上面的一层，这一层让PCB看起来是绿色的。阻焊层覆盖了铜层上面的走线，防止PCB上的走线和其他的金属、焊锡或者其它的导电物体接触导致短路。阻焊层的存在防止了焊锡搭桥。我们可以看到阻焊覆盖了PCB的大部分，但露出了银色的孔环以及焊盘，这样可以方便焊接。 - （3）锡膏防护层（Pastemask layer）
锡膏防护层和阻焊层的作用相似，不同的是在机器焊接时所对应的贴片式元件的焊盘。如果板全部放置的是通孔元件，这一层就不用输出Gerber文件了。在将贴片元件贴到PCB板上以前，必须在每一个贴片焊盘上先涂上锡膏。 - （4）丝印层（Silkscreen Layer）
白色的字符是丝印层。在PCB的丝印层上印有字母、数字以及符号，这样可以方便组装以及指导大家更好地理解板卡的设计。设计时经常会用丝印层的符号标识某些管脚或者LED的功能等。 - （5）机械层和禁止布线层（Mechanical Layer / Keep-Out Layer）
机械层是定义整个PCB板的外观的，平时所说的机械层就是指整个PCB板的外形结构。禁止布线层定义了具有电气特性的铜线边界，也就是说只要先定义了禁止布线层后，所布的具有电气特性的线不可以超出禁止布线层的边界。 - （6）钻孔层（Drill layer）
钻孔层提供电路板制造过程中的钻孔信息，如焊盘过孔就需要钻孔。一般文件会提供了钻孔指示图（Drillgride）和钻孔图（Drill drawing）这两个钻孔层。
3 实验过程
3.1 绘制原理图
3.1.1 下载封装库
由于需要向工厂投板，所以直接使用工厂的封装库会方便些。直接去嘉立创的码云仓库里查找封装文件即可。
选择第一个 嘉立创SMT/JLCSMT_LIB 可贴片元器件基础库，下载ZIP压缩包。
将下载的ZIP文件解压，即可获得嘉立创的SMT贴片封装库。
3.1.2 新建工程
在Altium Designer软件中，新建一个PCB工程。工程模板选择默认，工程名称设置为 USB_SPI_Flash。
为工程添加一个原理图文件。
将该原理图命名为 USB_SPI_Flash.SchDoc 并保存。
3.1.3 加载封装库
在软件设置界面打开“已安装的元件库”界面，选择从文件安装封装库。
将之前下载的嘉立创封装导入到软件中。选中电容、晶振、MCU、LDO和电阻的封装，点击打开即可。或者直接选择 Miscellaneous Devices LC.IntLib 文件。以 IntLib 作为扩展名的文件是AD中的集成封装库，其中包含了原理图库和PCB封装库，所以只引入这一个库文件也可以。
导入完成后的元件库如下图3.8所示。
3.1.4 模块绘制
接下来分别绘制各个模块的原理图。我直接使用了老师给的原理图，将该原理图导入到工程中，如下图所示。
接下来尝试使用金手指的USB接口，需要将原有的USB插头封装替换成自己绘制的金手指封装。首先添加一个PCB封装库，用于绘制金手指的原理图和PCB封装，如下图3.10所示。
首先绘制原理图，原理图封装直接使用了老师提供的图。
四脚排针的原理图也使用了老师给的原理图。
接下来绘制PCB封装，首先添加一个PCB库文件。
将四脚排针的封装添加进去，如下图3.14所示。
本次我想尝试使用金手指的封装，所以需要自己绘制一下USB接口的封装。原理图就直接使用老师给的原理图，但封装需要自己绘制，如下图3.15所示。
PCB需要较严格的尺寸要求，我是用卡尺测量的实际USB接口尺寸，根据实际的金手指画出来的。另外需要注意PCB和原理图的引脚需要一一对应。搜集USB接口的引脚图，可以找到USB每个脚位所对应的实际接口。如下图3.16所示。
根据上图2.16所示的引脚脚位，可以设置PCB封装中的脚位与原理图对应。
PCB绘制完成后，需要将原理图和PCB联系起来。在原理图页面点击 Add FootPrint 添加封装。
添加完成过后，两个原件的封装就绘制完成了。将原理图中的这两个原件替换成自己绘制的原件就可以了。
3.1.5 原件编号
使用软件工具将所有原件全部重新编号。在菜单栏的工具->注释选项中，找到注释原理图选项。
在该界面，首先将所有已注释的内容清空。
选择注释顺序为 Across Then Down ，依次更新和执行更改。验证更改并执行，将原件全部重新编号。
3.1.6 编译工程
原理图绘制完成后，对原理图进行编译。
编译结果如下。
编译警告说 P7-2 引脚没有驱动源，双击看一下具体位置。
是因为芯片设计时，此引脚需要有输入的驱动信号，而现在绘制的原理图直接接地了，没有驱动信号所以会产生警告。该警告可以忽略。
3.2 绘制PCB
3.2.1 绘制板子形状
原理图绘制完成后就可以绘制PCB了。新建一个PCB文件，将其命名为 USB_SPI_Flash.PcbDoc。
按照实验要求，重新定义PCB的板子形状。可以在菜单栏的编辑选项中，找到设置原点选项，将原点重新设置一下。
切换到机械层，绘制矩形的边框。首先绘制一条直线，然后双击设置它的长度。
绘制一个48mm × 25mm的矩形边框，如下图3.28所示。
将该矩形框选中，重新定义板子形状。
完成之后的板子形状如下图3.30所示。
3.2.2 导入原件
在原理图界面点击设计->更新PCB文件，将原件导入到PCB中。
点击验证更改可以对原件的封装进行验证。
如果此时出现了上图的报错信息，说明原件的PCB封装没有找到。这些封装是嘉立创提供的封装，所以只需要将对应的封装文件导入进来就可以了。
导入完成后，依次点击验证更改和执行更改，原件就导入到PCB文件中了。
导入到PCB文件中的效果如下图所示。
3.2.3 原件排布
接下来将原件依次排布在PCB板子上。
可以根据要求重新绘制一下板子形状，如下图3.36所示。
3.2.4 原件布线
在原件位置固定后，可以开始进行布线。首先设置布线规则。
布线之前可以使用对齐工具，将相同行列的原件对齐。
之后可以自己布线了，顶层布线初步完成后的样式如下：
有些线在顶层铺不开了，需要打过孔到底层去布线。首先要设置一下过孔的大小。孔径设置为 0.5mm ，外层直径设为 0.7mm。
设置过孔孔径完成后，可以进行打孔等操作。在PCB背面布线，初步布线效果如下图3.42所示。
布线完成后，需要整体看一下布线效果，对部分线束进行修改。修改完成过后的大体布线效果如下图3.43所示。
3.2.5 补泪滴
为了防止在机械制板的时候，焊盘或过孔因承受钻孔的压力而与铜膜导线在连接处断裂，因此连接处需要加宽铜膜导线来避免此种情况发生。补泪滴后的连接处会变得比较光滑，不易因残留化学药剂而导致对铜膜导线的腐蚀。
在菜单栏的工具->泪滴选项中，可以设置泪滴的添加方式。
补完泪滴的PCB效果如下图3.45所示。
3.2.6 铺铜
连线完成后，进行铺铜。首先铺底层的GND层，并勾选移除死铜选项。
底层覆铜效果如下图3.47所示。
正面覆铜效果如下图3.48所示。
3.2.7 DRC检查
覆铜完成后，需要进行DRC检查。
第一次DRC检查的结果如下图3.50所示。
具体是有两方面的问题：
第一个是焊盘之间的间距，有些地方超过了0.254mm。另一个是丝印到焊盘之间的间距，有些地方也小于了0.254mm。
接下来修改DRC检查的规则，如下图3.52所示。
第二次DRC检查：
将检查的约束条件去除一些，再次运行DRC检查。
此时检查的结果就不存在错误了。
3.2.8 添加丝印并检查
首先添加一个学校的校徽，首先运行AD脚本，执行 RunConverterScript 将BMP图片转换为丝印层图片。
在底层丝印层添加这个图片，转换过程如下图3.55所示。
将转换完成的丝印复制粘贴到底层丝印层即可。
但是考虑到本次的PCB板比较小，如果印上校徽可能根本看不清字，所以我就将底层的校徽丝印去掉了。经过调整，最终的背面丝印如下图3.57所示。
丝印做完之后，需要再进行依次DRC检查，防止丝印与焊盘靠得太近。
第三次DRC检查结果如下：
可以看到，DRC检查已通过。
3.2.9最终效果
PCB最终效果如下图3.59所示。
三维模拟视图如下图所示。
3.3 PCB打板
3.3.1 导出文件
本次PCB实训使用嘉立创打板，首先将PCB源文件复制一份并压缩至RAR格式。
在嘉立创助手上传压缩文件。
上传完成后，可以查看文件解析结果。
3.3.2 填写订单
在下单页面填写相关选项，点击提交订单即可。
因为这块板子是我的第二次设计，前几天已经投过一次板了，我觉得当时做的板子布局不太好，所以就重做了一次。第一次投稿时选用了SMT贴片，这次投稿就不再用SMT了。两次投板的订单列表如下图3.66所示。
3.3.3 原件贴片
第一次投板时选用了工厂的SMT贴片，其操作步骤如下。
首先需要在嘉立创的SMT订单页面上传自己的PCB源文件，由嘉立创自动生成对应的BOM表和坐标文件。
上传完成后，点击下一步，可以看到原件的BOM表，如下图3.68所示。检查原件的BOM表与自己PCB所用的原件是否相同，检查完毕后可以点击确认。
确认元件清单无误后，可以看到PCB的模拟贴片图。如下图3.69所示。
上面是我第一次画的PCB贴片图，当时因为时间比较紧张，所以画得比较糟糕，原件也不整齐，过孔也比较多。元件贴片图检查完成之后，就可以对整个SMT订单进行确认了。
确认订单前可以查看具体的项目费用情况。
整个订单包括PCB打板订单和SMT贴片订单，确认完订单并提交付款后，就只需等待发货了。
4 实验结果
本次实验根据原理图绘制了相应的PCB电路，并将PCB文件投稿至工厂，进行了工厂打板和SMT贴片。本次共投出了两版电路板，第一版使用了SMT贴片，第二版没有贴片。收到板子后，可以尝试烧录程序实现U盘功能。
4.1 准备工作
在收到PCB样板后，首先需要对PCB样板的线路进行检查，可以用万用表测量线路是否导通，是否存在短路等问题。检测完成后，由于后续需要往里面烧程序，所以要把缺少的排针先焊上。焊接完成后如下图4.1所示。
本次使用的是金手指的封装，但由于经费问题没有在金手指处做沉金处理，所以现在金手指位置是一层白色的锡。当我尝试将PCB插入USB接口时，发现PCB金手指位置的尺寸被设计得太大了，USB接口插不进去，所以又打磨了一下PCB。
打磨完成后，将PCB插入USB扩展坞进行测试。测试结果如下图4.2所示。红色的LED因为连接到了稳压管的输出端，所以一插上就亮了。
此时在电脑的设备管理器中可以看到该设备为 Unknown USB Device 未知的USB设备，如下图4.3所示。
接入电源时，可以测试一下PCB的供电是否正常。我主要测试了一下稳压管的输入和输出电压，输入的5V是USB接口的电压，输出测量的是3.28V，也基本上正常。如下图所示。
另外其他的线路也要进行初步测量，以确保板子能够正常工作。
4.2 程序烧录
原理图在设计时使用了PA13和PA14作为预留的程序下载引脚，网络标号标注为SWDIO和SWLCK，说明原理图被设计为用SWD方式下载程序。使用SWD方式下载程序可以节省端口占用，它只需要SWDIO、SWCLK、VCC和GND四条引脚就可以了，也就是对应PCB板上预留的四脚排针。
将PCB板上的四脚排针连接到JLink、STLink等仿真器上，再将仿真器连接电脑。老师给我们的工程代码需要在IAR软件中打开，如下图4.6所示。在IAR软件中修改仿真器的配置，编译程序没有错误的话就可以下载了。下载完成后应该就可以将PCB作为U盘使用了。因为我手边没有下载器，所以暂时就不去下载代码了。
工程代码的基本原理是在SMT32与W25Q128闪存芯片之间进行SPI通信，利用SPI通信可以在主设备芯片和闪存之间传递数据。再向芯片中移植一个文件系统，就可以实现像U盘一样的读取文件。
5 实验总结
本次EDA实训设计制作了一款基于STM32的简易U盘。绘制了原理图、封装库，绘制了两版PCB电路板并将工程文件投厂生产，最终得到了完整的PCB实验板实物。利用嘉立创的SMT贴片服务，将原件焊接到了电路板上，方便样板测试。同时导出了BOM表，可以自己进行元件的购置。
本次设计是从原理到实践的结合，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，实践是检验真理的唯一标准。我们电子专业的学习更是如此，不仅要有丰富的理论知识，还要有很强的动手能力，这是工科学生的特点。只有理论与实践并重，我们的专业水平才能提高，这就是我在这次课程设计中的最大收获。
6 附录
电路板工程文件及实验代码
GitHub：https://github.com/ZHJ0125/USB_SPI_Flash
Gitee：https://gitee.com/zhj0125/USB_SPI_Flash
