STC15和CH376的實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于STC15單片機(jī)的U盤(pán)實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用USB接口芯片CH376時(shí)U盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1 2887實(shí)時(shí)采集記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間，將采集到的海量數(shù)據(jù)以EXCEL文件形式存儲(chǔ)在U盤(pán)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠采集、存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)而且還兼顧成本低、通用性強(qiáng)、移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

引言

在工業(yè)數(shù)據(jù)采集中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擔(dān)負(fù)著記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的責(zé)任，基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集儀表以其成本低廉、操作簡(jiǎn)單、工作可靠而得到大批量應(yīng)用。鑒于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的以上優(yōu)勢(shì)提出了一種基于STC15系列單片機(jī)和CH376的U盤(pán)海量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方案，該方案利用南京沁恒公司推出的USB接口芯片CH376對(duì)U盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成超速信息的轉(zhuǎn)存，并采用沁恒公司提供的FAT文件系統(tǒng)庫(kù)，將采集到的數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)在U盤(pán)中，操作者可以方便地利用PC機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要框圖如圖1所示，主要是以STC15F2K60S2單片機(jī)為核心，通過(guò)擴(kuò)展外同接口而使其以低成本的優(yōu)勢(shì)滿足大容量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的要求。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)前端調(diào)理電路的放大與濾波處理后進(jìn)入單片機(jī)的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊，此時(shí)采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)部開(kāi)辟的緩沖數(shù)組中，當(dāng)緩沖區(qū)滿后通過(guò)控制CH376向U盤(pán)寫(xiě)入采樣數(shù)據(jù)，并同時(shí)將DS12887內(nèi)的時(shí)間信息寫(xiě)入文件中。

1.1 STC15F2K60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，采用STC—Y5超高速CPU內(nèi)核。STC15F2K60S2系列單片機(jī)是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的一代8051單片機(jī)，采用第八代加密技術(shù)，加密性超強(qiáng)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，可設(shè)置5～35 MHz的工作頻率，徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路，具有3路CCP/PWM/PCA和8路高速A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置2 KB大容量SRAM，2組高速異步串行通信端口UART1/UART2，一組高速同步通信端口SPI，廣泛地用于一般的現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域。

1.2 CH376模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 USB接口芯片CH376簡(jiǎn)介

CH376是南京沁恒公司推出的一款U盤(pán)和SD卡文件管理控制芯片，用于單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)讀寫(xiě)U盤(pán)或者SD卡中的文件。CH376支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式，并且內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件，內(nèi)置了處理海量存儲(chǔ)Mass-Storage設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，內(nèi)置了SD卡的通信接口固件，內(nèi)置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備(包括U盤(pán)/USB硬盤(pán)/USB閃存盤(pán)/USB讀卡器)和SD卡(包括標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡和高容量HC-SD卡以及協(xié)議兼容的MMC卡和TF卡)。

CH376支持3種通信接口：8位并口、SPI接口或者異步串口，單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器可以通過(guò)上述任何一種通信接口控制CH376芯片，存取U盤(pán)或者SD卡中的文件或者與計(jì)算機(jī)通信。CH376芯片內(nèi)部集成了USB-SIE和Phy-I/O、CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)、USB-Host控制器、USB-Dev ice控制器、SD卡SPI-Host控制器、被動(dòng)并行接口、SPI—Slave控制器、異步串口、雙口SRAM、FIFO、高速M(fèi)CU、固件程序、晶體振蕩器和PLL倍頻器、電源上電復(fù)位電路等。其主要特點(diǎn)概括為：

①支持1.5 Mbps低速和12 Mbps全速USB通信，兼容USB V2.0;

②支持USB-HOST主機(jī)接口和USB-DEVICE設(shè)備接口，支持動(dòng)態(tài)切換主機(jī)方式與設(shè)備方式;

③內(nèi)置USB通信協(xié)議的基本固件處理海量存儲(chǔ)Mass-Storage設(shè)備的專用通信協(xié)議固件，SD卡的通信接口固件以及FAT16/FAT32和FAT12文件系統(tǒng)的管理固件;

④提供文件管理功能、文件讀寫(xiě)功能和磁盤(pán)管理功能;

⑤提供2 MB速度的8位被動(dòng)并行接口，提供2 MB/24 MHz速度的SPI設(shè)備接口，提供最高3 Mbps速度的異步串口;

⑥支持5 V/3.3 V/3 V電源電壓，支持低功耗模式。

1.2.2 CH376硬件電路設(shè)計(jì)

USB接口芯片CH376模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。單片機(jī)與CH376采用的是硬件總線8位并口連接方式，這樣無(wú)需用I/O模擬CH376讀寫(xiě)時(shí)序，簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)。CH376芯片通過(guò)8位被動(dòng)并行接口的D7～D0、RD#、WR#、PCS#、A0直接連接到STC15F2K60S2單片機(jī)的系統(tǒng)總線上，其中D7～D0連接STC15F2K60S2的數(shù)據(jù)總線P0.7～P0.0引腳上，RD#、WR#引腳與STC15F2K60S2的對(duì)應(yīng)引腳相連，INT#引腳連到STC15F2K60S2的外部中斷INT0上，采用中斷方式處理USB數(shù)據(jù)傳輸，PCS#連接STC15F2K60S2的P2.6引腳來(lái)控制CH376的使能，A0連到STC15F2K60S2的P2.0引腳。因此，CH376命令寄存器的地址可選為BDF1H，數(shù)據(jù)寄存器的地址可選為BCF0H。

另外，R2用于限制作為USB主機(jī)提供給外部USB設(shè)備的電流，電容C1用于CH376內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，C1是容量為4 700 pF～0.02μF的獨(dú)石或者高頻瓷片電容。電容C3和C4用于外部電源退耦，C3是容量為0.1μF的獨(dú)石或者高頻瓷片電容。晶振Y1用于時(shí)鐘振蕩電路，USB—HOST主機(jī)方式要求時(shí)鐘頻率比較準(zhǔn)確，晶振Y1的頻率為12 MHz±0.4‰。振蕩電容C6、C7是可選的，根據(jù)晶振Y1的特性選擇，容量在0～22 pF。

1.2.3 CH376軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用單片機(jī)將片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CH376存入U(xiǎn)盤(pán)中需要完成三件事：

第一是要完成單片機(jī)讀寫(xiě)CH376，由于CH376是以硬件并行總線的方式與單片機(jī)連接的，單片機(jī)讀寫(xiě)CH376就不需要用I/O模擬時(shí)序了，確定CH376的命令端口地址和數(shù)據(jù)端口地址后，直接向命令端口地址寫(xiě)入相應(yīng)命令，向數(shù)據(jù)端口地址寫(xiě)入相應(yīng)數(shù)據(jù)即完成了寫(xiě)入操作。讀操作時(shí)也只需要將命令端口或數(shù)據(jù)端口的值直接賦給一個(gè)變量，單片機(jī)讀取的狀態(tài)或數(shù)據(jù)就保存在該變量中了。

第二是操作沁恒公司提供的FILE SYS文件系統(tǒng)庫(kù)，通過(guò)移植、裁減該文件系統(tǒng)庫(kù)，在U盤(pán)中創(chuàng)建一個(gè)EXCEL格式的文件ZYZ_ADC.XLS，這是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心所在。具體步驟是：首先單片機(jī)發(fā)送CMD_SET_USB_MODE命令設(shè)置CH376工作在主機(jī)模式下，然后調(diào)用FILE SYS文件系統(tǒng)庫(kù)中的CH376DiskConnect函數(shù)等待U盤(pán)連接，U盤(pán)可以由CH376自動(dòng)檢測(cè)并產(chǎn)生中斷通知，也可以由單片機(jī)定時(shí)發(fā)送命令檢測(cè)。U盤(pán)連接成功后，在進(jìn)行操作之前必須由單片機(jī)發(fā)送CMD_DISK_MOUNT進(jìn)行初始化，并檢測(cè)磁盤(pán)是否準(zhǔn)備就緒，確認(rèn)磁盤(pán)準(zhǔn)備就緒后，調(diào)用文件系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)CH376FileOpen，打開(kāi)磁盤(pán)中已經(jīng)創(chuàng)建好的文件，如果該文件不存在，則調(diào)用文件系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)CH376FileCreate并在磁盤(pán)中創(chuàng)建一個(gè)新的文件，設(shè)定其參數(shù)為“/ZYZ_ADC.XLS”即完成了在U盤(pán)中創(chuàng)建了一個(gè)名為ZYZ_ADC.XLS的EXCEL格式文件。另外，文件創(chuàng)建成功后為方便向文件中添加數(shù)據(jù)，還需要將該文件移置到U盤(pán)中所有已有文件的末尾，可調(diào)用文件系統(tǒng)庫(kù)函數(shù)CH376ByteLocate，設(shè)定參數(shù)為0xFFFFFFFF即可移動(dòng)該文件至所有文件之后。以上一切準(zhǔn)備就緒后就可以向文件中寫(xiě)入數(shù)據(jù)了，最后就是保存文件并更新文件長(zhǎng)度，涉及到的文件庫(kù)函數(shù)是CH376GetFileSize。在U盤(pán)中創(chuàng)建EXCEL文件的軟件流程圖如圖3所示。

第三是向已創(chuàng)建的EXCEL文件中寫(xiě)入A/D采集數(shù)據(jù)和時(shí)鐘芯片中的日期、時(shí)間信息。系統(tǒng)軟件是將EXCEL文件中的所有已采集的數(shù)據(jù)以字符形式存儲(chǔ)的，因此對(duì)于采集的電壓、日期、時(shí)間等二進(jìn)制數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換成字符串形式。另外，EXCEL文件中的數(shù)據(jù)信息是以單元格的形式存儲(chǔ)的，即每一次采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)單元格中，因此在調(diào)用sprintf函數(shù)時(shí)，將采集的數(shù)據(jù)信息寫(xiě)入EXCEL文件時(shí)用“t”切換單元格，比如將采集的日期、時(shí)間、單元信息分別顯示在3個(gè)不同的單元格中的函數(shù)格式為：

2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證上述系統(tǒng)能否完成將A/D采集來(lái)的海量數(shù)據(jù)信息存入U(xiǎn)盤(pán)中創(chuàng)建的EXCEL文件中，選用了2 GB的金士頓U盤(pán)作為測(cè)試對(duì)象，系統(tǒng)上電后插上U盤(pán)，即可看到CH376模塊中USB讀寫(xiě)指示燈變亮并且U盤(pán)指示燈閃爍數(shù)下，這表明U盤(pán)讀寫(xiě)成功。然后，按下數(shù)據(jù)采集控制開(kāi)關(guān)，可以看到U盤(pán)指示燈開(kāi)始不停地閃爍，表示數(shù)據(jù)采集正在進(jìn)行中，通過(guò)串口調(diào)試軟件的打印窗口如圖4所示，可以清楚地看到文件創(chuàng)建成功，數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件的詳細(xì)過(guò)程。

圖4中File size=1表示創(chuàng)建了一個(gè)新文件，其大小為1 K，下面即是不停地向文件中寫(xiě)入日期、時(shí)間、電壓等采集信息。待系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后取下U盤(pán)，將U盤(pán)重新插在PC上即可在U盤(pán)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)新建的名為ZYZ_ADC.XLS的文件，打開(kāi)該文件，如圖5所示，可以看到系統(tǒng)采集到的日期、時(shí)間、電壓等采樣信息完整地存在于該文件中。

結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于STC15系列單片機(jī)和CH376的實(shí)時(shí)海量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，由于CH376內(nèi)置了文件系統(tǒng)，使單片機(jī)的操作更為方便，單片機(jī)只需要發(fā)送命令和數(shù)據(jù)就可以在U盤(pán)中創(chuàng)建文件、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。因此開(kāi)發(fā)人員用簡(jiǎn)便的方法就可以實(shí)現(xiàn)利用U盤(pán)存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換器采集來(lái)的海量數(shù)據(jù)，該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力強(qiáng)大，能夠存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。