隨著科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域的很多應(yīng)用中都需要實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的定時采集存儲。筆者以為海流計設(shè)計的海流數(shù)據(jù)采集存儲接口電路為例，介紹一種定時采集存儲系統(tǒng)的工作原理及其實現(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存儲器是數(shù)據(jù)采集存儲系統(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、實時時鐘芯片SD2300、大容量Flash存儲器K9G8G08及其外圍電路，如圖1所示。工作原理也較為簡單，通過串口將單片機(jī)C8051F021與海流計相連，通過對單片機(jī)的編程實現(xiàn)對海流計的控制和使用。同時，為了實現(xiàn)定時采集和數(shù)據(jù)存儲的功能，還需將實時時鐘芯片SD2300和大容量Flash存儲器K9G8G08的相應(yīng)引腳與C8051F021的GPIO相連。SD2300通過發(fā)送定時中斷使得C8051F021在預(yù)定時刻通過串口采集若干組流速和流向數(shù)據(jù)，然后將其存儲在K9G8G08中。

2 硬件設(shè)計

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系統(tǒng)級單片機(jī)。芯片上有64位數(shù)字I/O。C8051F021單片機(jī)具有片內(nèi)看門狗定時器、VDD 監(jiān)視器和時鐘發(fā)生器，可以說是真正的、可獨立工作的、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，也可以由用戶設(shè)置。片內(nèi)的 Flash存儲器可以在電路(即由用戶程序在運(yùn)行時)編程(讀寫)，為用戶提供了非揮發(fā)性存儲器，并允許現(xiàn)場更新8051程序。

2.2 SD2300與C8051F021的硬件接口設(shè)計

SD2300是深圳市興威帆電子技術(shù)有限公司開發(fā)的一種具有內(nèi)置晶振、兩線式串行接口的高精度實時時鐘芯片。較SD2000而言，SD2300具有更寬的定時范圍、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時間調(diào)整和晶振停振檢測等功能。最顯著的改動是對時鐘數(shù)據(jù)/寄存器的訪問由通過不同命令字改為地址直接尋址，使得芯片的使用更加靈活，并提高了程序編寫的可讀性。

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

2.3 K9G8G08與C8051F021的硬件接口設(shè)計

K9G8G08容量為8 Gb(8 858 370 048位)，包含524 288行(頁)和2 112×8列。在列地址2 048～2 111處有備用的64列存儲單元。2 112字節(jié)的數(shù)據(jù)寄存器與存儲器陣列相連，用來為在頁讀或頁編程操作時I/O端口和存儲陣列間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。存儲器陣列由32個存儲單元串行連接在一起，構(gòu)成了一個NAND結(jié)構(gòu)。每32個存儲單元處于不同的頁中。一個存儲單元包括2位數(shù)據(jù)。一個塊由2個NAND結(jié)構(gòu)串組成，總共包含1 081 344個NAND結(jié)構(gòu)。編程和讀操作均以頁為單位，而擦除操作以塊為單位。存儲器陣列包含4 096個256 KB的可擦除塊。K9G8G08采用8個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)的板級設(shè)計而進(jìn)行系統(tǒng)升級。指令、地址和數(shù)據(jù)通過在CE為低電平時把WE引腳拉低而寫入I/O引腳，在麗的上升沿被鎖存。CLE和ALE通過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個總線周期，例如重啟指令、讀狀態(tài)指令等;另一些指令則需要2個周期，例如頁讀、塊擦除和頁編程操作，一個周期用來設(shè)置，另一個周期用來執(zhí)行。1 Gb的物理地址空問需要30位的地址，5個周期來尋址(2個列地址，3個行地址)。頁讀和頁編程操作在相應(yīng)的指令后需要同樣的5個地址周期。而在一個塊擦除操作中，只需要3個行地址。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CLE和ALE信號線實現(xiàn)I/O口上指令和地址的復(fù)用。指令、地址和數(shù)據(jù)都通過拉低WE和CE從I/O口寫入。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程如圖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)定時刻后，SD2300發(fā)出定時中斷，使C8051F021進(jìn)入中斷處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲。存儲完畢，系統(tǒng)再次進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一次定時中斷的到來。

3.2 SD2300的軟件接口設(shè)計

SD2300的I2C接口與C8051F021的GPIO相連，通過GPIO來模擬I2C，編程簡單，操作方便。SD2300的訪問控制通過寄存器直接尋址實現(xiàn)，其內(nèi)部的寄存器如表1所列。

SD2300通過兩線式串行接口方式接收各種命令并讀寫數(shù)據(jù)。下面具體介紹兩線式串行接口方式。

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

②停止條件：當(dāng)SCL處于高電平時，SDA由低電平變成高電平構(gòu)成一個停止條件。此時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，數(shù)據(jù)由C8051F021傳輸給SD2300;當(dāng)SCL為高電平，且SDA電平不變時， C8051F021讀取SD2300 E2PROM發(fā)送來的數(shù)據(jù);當(dāng)SCL為高電平，且SDA電平變化時，SD2300收到一個開始或停止條件。

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

鑒于篇幅所限，僅以SD2300的設(shè)定開始采集時間程序為例，介紹一下SD2300的軟件接口編寫。

3.3 K9G8G08的軟件接口設(shè)計

相比于三星公司的Flash存儲器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，支持一頁內(nèi)的隨機(jī)數(shù)據(jù)讀寫，并提供了一種特殊的Two-Plane頁編程操作，可以支持兩頁的同時寫入，其操作指令如表2所列。

4 總結(jié)

筆者為海流計設(shè)計的數(shù)據(jù)定時采集存儲系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)實驗，能夠按照預(yù)定時刻準(zhǔn)時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)存儲完整準(zhǔn)確，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)的設(shè)計為相關(guān)應(yīng)用提供了參考。