基于SD2300的定時采集存儲系統(tǒng)設(shè)計
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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/311725.htm1 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C8051F021與海流計相連,通過對單片機的編程實現(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C8051F021
C8051F021單片機是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機。芯片上有64位數(shù)字I/O。C8051F021單片機具有片內(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,只需將SD2300的SCL、SDA腳與單片機的SCL、SDA腳相連;對于沒有 I2C總線接口的單片機,可以用通用I/O口來模擬I2C總線。如圖2所示,單片機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)進入等待狀態(tài)。待到達預(yù)定時刻后,SD2300發(fā)出定時中斷,使C8051F021進入中斷處理程序,進行數(shù)據(jù)采集和存儲。存儲完畢,系統(tǒng)再次進入等待狀態(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。
?、谕V箺l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)進入待機狀態(tài)。
?、蹟?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。
?、艽_認:數(shù)據(jù)傳輸以8位序列進行。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。例如,支持一頁內(nèi)的隨機數(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。
參考文獻
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