基于C8051F021單片機和SD2300芯片實現(xiàn)海流數(shù)據(jù)采集存儲接口的設計

隨著科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)測控領域的很多應用中都需要實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的定時采集存儲。以為海流計設計的海流數(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 總體結構

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)硬件結構并不復雜，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的相應引腳與C8051F021的GPIO相連。SD2300通過發(fā)送定時中斷使得C8051F021在預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)字設備都可以使能或關閉，也可以由用戶設置。片內的 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的硬件接口設計

SD2300是深圳市興威帆電子技術有限公司開發(fā)的一種具有內置晶振、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)字精度調整寄存器、30s時間調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。存儲器陣列由32個存儲單元串行連接在一起，構成了一個NAND結構。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結構串組成，總共包含1 081 344個NAND結構。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 軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計流程如圖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的定時中斷設置，然后系統(tǒng)進入等待狀態(tài)。待到達預定時刻后，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SCL處于高電平時，SDA由高電平變成低電平構成一個開始條件。對SD2300的所有操作均必須由開始條件開始。

②停止條件：當SCL處于高電平時，SDA由低電平變成高電平構成一個停止條件。此時SD2300所有的操作均停止，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

③數(shù)據(jù)傳輸：當SCL為低電平，且SDA電平變化時，數(shù)據(jù)由C8051F021傳輸給SD2300；當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：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，標明數(shù)據(jù)被其收到。

鑒于篇幅所限，僅以SD2300的設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

為海流計設計的數(shù)據(jù)定時采集存儲系統(tǒng)，經(jīng)過反復實驗，能夠按照預定時刻準時進行數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)存儲完整準確，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)的設計為相關應用提供了參考。

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