基于單片機(jī)C8051F021和時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的很多應(yīng)用中都需要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的定時(shí)采集存儲(chǔ)。以為海流計(jì)設(shè)計(jì)的海流數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)接口電路為例，介紹一種定時(shí)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作原理及其實(shí)現(xiàn)方法。

1 總體結(jié)構(gòu)

在很多情況下，尤其是惡劣的工作環(huán)境下，高性能的單片機(jī)和大容量的Flash存儲(chǔ)器是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的最佳選擇，本文介紹的系統(tǒng)也是基于這樣的考慮。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，包括高性能單片機(jī)C8051F021、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SD2300、大容量Flash存儲(chǔ)器K9G8G08及其外圍電路，如圖1所示。工作原理也較為簡(jiǎn)單，通過(guò)串口將單片機(jī)C8051F021與海流計(jì)相連，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)對(duì)海流計(jì)的控制和使用。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，還需將實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片SD2300和大容量Flash存儲(chǔ)器K9G8G08的相應(yīng)引腳與C8051F021的GPIO相連。SD2300通過(guò)發(fā)送定時(shí)中斷使得C8051F021在預(yù)定時(shí)刻通過(guò)串口采集若干組流速和流向數(shù)據(jù)，然后將其存儲(chǔ)在K9G8G08中。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 高性能單片機(jī)C8051F021

C8051F021單片機(jī)是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。芯片上有64位數(shù)字I／O。C8051F021單片機(jī)具有片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD 監(jiān)視器和時(shí)鐘發(fā)生器，可以說(shuō)是真正的、可獨(dú)立工作的、完整的SoC（片上系統(tǒng)）。片上所有的模擬和數(shù)字設(shè)備都可以使能或關(guān)閉，也可以由用戶(hù)設(shè)置。片內(nèi)的 Flash存儲(chǔ)器可以在電路（即由用戶(hù)程序在運(yùn)行時(shí)）編程（讀寫(xiě)），為用戶(hù)提供了非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051程序。

2．2 SD2300與C8051F021的硬件接口設(shè)計(jì)

SD2300是深圳市興威帆電子技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的一種具有內(nèi)置晶振、兩線(xiàn)式串行接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。較SD2000而言，SD2300具有更寬的定時(shí)范圍、更多的周期性中斷選擇，并增加了數(shù)字精度調(diào)整寄存器、30s時(shí)間調(diào)整和晶振停振檢測(cè)等功能。最顯著的改動(dòng)是對(duì)時(shí)鐘數(shù)據(jù)／寄存器的訪(fǎng)問(wèn)由通過(guò)不同命令字改為地址直接尋址，使得芯片的使用更加靈活，并提高了程序編寫(xiě)的可讀性。

SD2300的接口為I2C總線(xiàn)。對(duì)于具有I2C總線(xiàn)接口的單片機(jī)，只需將SD2300的SCL、SDA腳與單片機(jī)的SCL、SDA腳相連；對(duì)于沒(méi)有 I2C總線(xiàn)接口的單片機(jī)，可以用通用I／O口來(lái)模擬I2C總線(xiàn)。如圖2所示，單片機(jī)C8051F021的PO．6模擬SCL，產(chǎn)生I2C總線(xiàn)的時(shí)序同步信號(hào)；PO．7模擬SDA，實(shí)現(xiàn)I2C總線(xiàn)的串行數(shù)據(jù)輸入／輸出。圖2中的INTRA、INTRB為定時(shí)中斷輸出，SDA和SCL為時(shí)鐘電路的串行時(shí)鐘腳， SDAE和SCLE為E2PROM的串行時(shí)鐘腳。

2．3 K9G8G08與C8051F021的硬件接口設(shè)計(jì)

K9G8G08容量為8 Gb（8 858 370 048位），包含524 288行（頁(yè)）和2 112×8列。在列地址2 048～2 111處有備用的64列存儲(chǔ)單元。2 112字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器與存儲(chǔ)器陣列相連，用來(lái)為在頁(yè)讀或頁(yè)編程操作時(shí)I／O端口和存儲(chǔ)陣列間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。存儲(chǔ)器陣列由32個(gè)存儲(chǔ)單元串行連接在一起，構(gòu)成了一個(gè)NAND結(jié)構(gòu)。每32個(gè)存儲(chǔ)單元處于不同的頁(yè)中。一個(gè)存儲(chǔ)單元包括2位數(shù)據(jù)。一個(gè)塊由2個(gè)NAND結(jié)構(gòu)串組成，總共包含1 081 344個(gè)NAND結(jié)構(gòu)。編程和讀操作均以頁(yè)為單位，而擦除操作以塊為單位。存儲(chǔ)器陣列包含4 096個(gè)256 KB的可擦除塊。K9G8G08采用8個(gè)I／O引腳的多次復(fù)用方案。這就使得其外部引腳數(shù)顯著減少，并且可以不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的板級(jí)設(shè)計(jì)而進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。指令、地址和數(shù)據(jù)通過(guò)在CE為低電平時(shí)把WE引腳拉低而寫(xiě)入I／O引腳，在麗的上升沿被鎖存。CLE和ALE通過(guò)I／O引腳分別被用在指令和地址的多路傳輸中。一些指令需要1個(gè)總線(xiàn)周期，例如重啟指令、讀狀態(tài)指令等；另一些指令則需要2個(gè)周期，例如頁(yè)讀、塊擦除和頁(yè)編程操作，一個(gè)周期用來(lái)設(shè)置，另一個(gè)周期用來(lái)執(zhí)行。1 Gb的物理地址空問(wèn)需要30位的地址，5個(gè)周期來(lái)尋址（2個(gè)列地址，3個(gè)行地址）。頁(yè)讀和頁(yè)編程操作在相應(yīng)的指令后需要同樣的5個(gè)地址周期。而在一個(gè)塊擦除操作中，只需要3個(gè)行地址。因此，可將C8051F021的P2口直接與這8根I／O連接，其他控制引腳接C8051F021、的相應(yīng)引腳，如圖3所示。K9G8G08通過(guò)CLE和ALE信號(hào)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)I／O口上指令和地址的復(fù)用。指令、地址和數(shù)據(jù)都通過(guò)拉低WE和CE從I／O口寫(xiě)入。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。首先完成系統(tǒng)的初始化工作，包括C8051F021的初始化和SD2300的定時(shí)中斷設(shè)置，然后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。待到達(dá)預(yù)定時(shí)刻后，SD2300發(fā)出定時(shí)中斷，使C8051F021進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。存儲(chǔ)完畢，系統(tǒng)再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次定時(shí)中斷的到來(lái)。

3．2 SD2300的軟件接口設(shè)計(jì)

SD2300的I2C接口與C8051F021的GPIO相連，通過(guò)GPIO來(lái)模擬I2C，編程簡(jiǎn)單，操作方便。SD2300的訪(fǎng)問(wèn)控制通過(guò)寄存器直接尋址實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部的寄存器如表1所列。

SD2300通過(guò)兩線(xiàn)式串行接口方式接收各種命令并讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。下面具體介紹兩線(xiàn)式串行接口方式。

①開(kāi)始條件：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA由高電平變成低電平構(gòu)成一個(gè)開(kāi)始條件。對(duì)SD2300的所有操作均必須由開(kāi)始條件開(kāi)始。

②停止條件：當(dāng)SCL處于高電平時(shí)，SDA由低電平變成高電平構(gòu)成一個(gè)停止條件。此時(shí)SD2300所有的操作均停止，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

③數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)SCL為低電平，且SDA電平變化時(shí)，數(shù)據(jù)由C8051F021傳輸給SD2300；當(dāng)SCL為高電平，且SDA電平不變時(shí)， C8051F021讀取SD2300 E2PROM發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)；當(dāng)SCL為高電平，且SDA電平變化時(shí)，SD2300收到一個(gè)開(kāi)始或停止條件。

④確認(rèn)：數(shù)據(jù)傳輸以8位序列進(jìn)行。SD2300在第9個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)將SDA置位為低電平，即送出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，標(biāo)明數(shù)據(jù)被其收到。

鑒于篇幅所限，僅以SD2300的設(shè)定開(kāi)始采集時(shí)間程序?yàn)槔?，介紹一下SD2300的軟件接口編寫(xiě)。

3．3 K9G8G08的軟件接口設(shè)計(jì)

相比于三星公司的Flash存儲(chǔ)器KM29U128T，K9G8G08不僅在容量上得到了極大的提高，操作的多樣性和靈活性也有顯著改進(jìn)。例如，支持一頁(yè)內(nèi)的隨機(jī)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，并提供了一種特殊的Two-Plane頁(yè)編程操作，可以支持兩頁(yè)的同時(shí)寫(xiě)入，其操作指令如表2所列。

4 總結(jié)

筆者為海流計(jì)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)定時(shí)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，能夠按照預(yù)定時(shí)刻準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完整準(zhǔn)確，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為相關(guān)應(yīng)用提供了參考。

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