《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的移動存儲器的設(shè)計與應(yīng)用
一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的移動存儲器的設(shè)計與應(yīng)用
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第1期
梁西銀,馬小倩,,蘭建平
(西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,,甘肅 蘭州 730070)
摘要: 設(shè)計了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集移動存儲器,其容量可達(dá)幾兆位,,傳輸速度可達(dá)1 Mb/s,。為更好地解決智能儀器中非實時數(shù)據(jù)的采集、存儲以及與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的問題提供了一種新的方法和思路,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 設(shè)計了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集移動存儲器,,其容量可達(dá)幾兆位,傳輸速度可達(dá)1 Mb/s,。為更好地解決智能儀器中非實時數(shù)據(jù)的采集,、存儲以及與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的問題提供了一種新的方法和思路。
關(guān)鍵詞: 移動存儲器,;I2C總線,;EEPROMPIC單片機(jī)

 智能儀器是工業(yè)控制的重要部分,,它所采集的數(shù)據(jù)是最珍貴的資料,。目前,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的智能儀表一般都采用RS-232串行接口實現(xiàn)對所采集的數(shù)據(jù)的上傳,。這就要求智能儀表和計算機(jī)最好處于同一個物理空間,,或連接關(guān)系固定,才能夠比較容易地完成數(shù)據(jù)的交換與傳遞,。這種模式對于大多數(shù)以非實時數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的測量與檢測設(shè)備來說,,實現(xiàn)起來很不方便。例如,,有些測量與檢測設(shè)備體積龐大,、不便移動,,有些設(shè)備已經(jīng)固定在機(jī)架或管道上,要和計算機(jī)進(jìn)行串口互連和數(shù)據(jù)上傳是一件非常困難的事,。為此,,本文研制了一種數(shù)據(jù)采集移動存儲器,較好地解決了智能儀器上非實時數(shù)據(jù)的采集以及與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的問題,。
 數(shù)據(jù)采集移動存儲器采用先進(jìn)的串行存儲芯片和簡單易行的并行接口技術(shù),,體積小、重量輕且無須額外供電,。使用時,,只需將此存儲器插于測量或檢測儀表的接口,便會自動采集到測量或檢測數(shù)據(jù),,采集結(jié)束后,,即可將此存儲器拔下攜帶至計算機(jī)房,插入計算機(jī)的并行口,,讀出數(shù)據(jù),。一般的U盤雖然可以存儲數(shù)據(jù),但它需要特定的USB接口和非常復(fù)雜的難于用單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)的USB接口協(xié)議,。
 由于所采用的串行數(shù)據(jù)存儲器具有很好的保密性,,因此,該存儲器還可以作為智能儀器的鑰匙,,或作為計算機(jī)軟件的“加密狗”,。在這種情況下,如果不插入移動數(shù)據(jù)采集存儲器,,智能儀器便不會響應(yīng)操作者的指令,,從而實現(xiàn)對智能儀器的一些重要功能的加鎖保護(hù)。
這種數(shù)據(jù)采集,、存儲,、移動,、上傳的“無線”技術(shù),,大大簡化了串口連線帶來的種種麻煩,可以在一定范圍和應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)取代RS-232串口數(shù)據(jù)上傳的實現(xiàn)方案,。這種技術(shù)彌補了目前使用廣泛的U盤無法或難于在智能儀表與計算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的缺陷,,從而使串行存儲器在工業(yè)測量、檢測領(lǐng)域內(nèi)得到新的應(yīng)用,。
1 移動數(shù)據(jù)采集存儲器的基本原理
 一般測量檢測類智能儀器端的原理如圖1(a)所示,。其中,MCU為測量,、檢測類智能儀器中的CPU,;端口P1.0和P1.1用來實現(xiàn)I2C總線的主機(jī)端口,。VCC為智能儀器的電源端;GND為智能儀器的接地端,;10 kΩ的上拉電阻用在SCL時鐘頻率為100 kHz的情況下,,如果時鐘頻率為400 kHz或更高,則上拉電阻應(yīng)為2 kΩ,。
圖1(b)為移動數(shù)據(jù)采集存儲器,,它主要由串行存儲芯片和并行接口電路組成。SCL是同步時鐘端口,;SDA是串行數(shù)據(jù)端口,;VCC為存儲器的電源;GND為存儲器的接地端,。存儲器由智能儀器供電,。

 在測量、檢測類智能儀器工作時,,數(shù)據(jù)采集移動存儲器通過25芯的并行接口插入智能儀器相應(yīng)的接口,,智能儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會按約定的格式保存在串行存儲芯片中。測量結(jié)束后,,可將移動數(shù)據(jù)采集存儲器拔下,,攜帶至他處,利用計算機(jī)讀取存儲的數(shù)據(jù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)的再次采集與存儲,。
 移動數(shù)據(jù)采集存儲器及接口電路如圖2所示,。其中,U1為DB25型的25芯并口插頭,,可插入任何類型計算機(jī)的并行打印口插座,。串行存儲器芯片組的電源由計算機(jī)并行口的4~7和25管腳提供,并聯(lián)電容用于濾波,。SCL時鐘信號由第2管腳產(chǎn)生,,SDA信號接第13管腳。圖2中的三極管用于防止干擾電平對存儲芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)的損壞,。傳送數(shù)據(jù)時,,將第3管腳置為高電平;在不傳輸數(shù)據(jù)時,,將第3管腳置為低電平可將SDA信號鎖定到低電平,,屏蔽來自第13管腳的干擾。A0,、A1,、A2為片選或塊選地址輸入,通過接入固定高低電平,可以用這3個管腳進(jìn)行容量擴(kuò)展,,最多可擴(kuò)展8個芯片,。

 

 

2 I2C串行存儲器的特點與讀寫方式
 串行存儲器是移動數(shù)據(jù)采集存儲器的主要器件,本文選擇美國Microchip公司24xxx系列的串行存儲器作為主要存儲單元,。24xxx系列是采用I2C串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?管腳EEPROM器件,。其容量從1 KB~256 KB(如24xx256),擦除寫入周期可達(dá)100萬次,。采用單一電源供電(+5 V±10%),,低功耗工作電流1 mA,備用狀態(tài)時只有10 μA,,三態(tài)輸出,,與TTL電平兼容。片內(nèi)數(shù)據(jù)保存壽命達(dá)40年以上,,工業(yè)品工作溫度范圍為-40℃~+85℃,。
 I2C總線是由Philips公司設(shè)計的兩線制串行傳輸總線,由時鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)兩根線組成,。時鐘線用于產(chǎn)生時鐘節(jié)拍信號,,數(shù)據(jù)線用于讀/寫數(shù)據(jù)。操作總是從啟動位開始,,在停止位后結(jié)束,。I2C總線時序如圖3所示。

?。ˋ)段:總線空閑狀態(tài),。SDA和SCL都保持高電平。
?。˙)段:啟動數(shù)據(jù)傳輸,。當(dāng)SCL為高電平狀態(tài)時,SDA由高電平變?yōu)榈碗娖降南陆笛貢r被認(rèn)為是“啟動”信號,。只有出現(xiàn)“啟動”信號以后,,其他命令才有效。
?。–)段:停止數(shù)據(jù)傳輸,。SCL保持高電平的狀態(tài)下,SDA出現(xiàn)上升沿視為結(jié)束傳送數(shù)據(jù),。停止信號過后,,總線被認(rèn)為空閑,。
?。―)段:數(shù)據(jù)有效(或總線忙)。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定,只有當(dāng)SCL為低電平的時候才允許SDA上的數(shù)據(jù)改變,。這時數(shù)據(jù)線的狀態(tài)就表示要傳送的數(shù)據(jù),。
 24xx256芯片的控制字與地址格式如圖4所示。圖4(a)中的固定序列“1010”是專門分配給24系列的從設(shè)備地址,,緊跟其后的是3 bit片選位,,最低位的R/W是讀寫標(biāo)識,用來確定接下來的操作是讀(“1”)還是寫(“0”),。圖4(b)中的高,、低字節(jié)構(gòu)成了215 B的存儲容量。該系列芯片有單字節(jié)和頁模式兩種寫入方式,,有當(dāng)前地址讀取,、隨機(jī)讀取和順序讀取3種數(shù)據(jù)讀出模式。在寫模式中,,頁寫模式可一次性連續(xù)寫入64 B,;在讀模式中,順序讀取模式具有最快的讀取速度,,可達(dá)到與同步時鐘頻率幾乎相同的速度,。對該存儲器的操作可分為兩個方面:存儲器地址指針的定位操作以及數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收操作。尤其在隨機(jī)讀模式中,,應(yīng)該先定位后讀取,。進(jìn)行地址指針定位時,首先要依照上圖3中的時序向總線發(fā)出寫命令(R/W為“0”)的控制字節(jié),,接著發(fā)出高字節(jié)地址和低字節(jié)地址,。讀寫操作時,首先應(yīng)向總線發(fā)出控制字節(jié)(讀為“1”,,寫為“0”),,然后即可從總線讀出此地址所指的字節(jié)數(shù)據(jù)或?qū)⒖偩€上的字節(jié)數(shù)據(jù)寫入該地址。存儲器芯片每接到一個命令,、地址或數(shù)據(jù)字節(jié),,或發(fā)送完一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié),都會向總線發(fā)送一個低電平應(yīng)答信號“ACK”,。MCU可通過檢測“ACK”信號的響應(yīng)來判斷每一次的讀寫是否成功,。

3 單片機(jī)端移動存儲器的讀寫程序
 串行存儲器讀和寫的方法相似,這里只針對字節(jié)寫入模式的流程和程序予以說明,。圖5(a)是向EEPROM寫入一個字節(jié)的流程,,圖5(b)是如何向I2C總線發(fā)送一個字節(jié)的流程。向總線發(fā)送一個字節(jié)并判斷是否被應(yīng)答是單片機(jī)與串行存儲器通信的基本操作,,所以本例中用一個子程序來實現(xiàn),。這樣,無論是命令、地址還是數(shù)據(jù),,只需賦予不同的初值,,即可調(diào)用這段通用的子程序。

 下列向移動存儲器的寫入數(shù)據(jù)的程序適用于PIC單片機(jī),,并已在批量生產(chǎn)的工業(yè)設(shè)備上可靠運行,,可直接移植。該程序由WRITE,、TX,、BITOUT和BITIN等子程序構(gòu)成。WRITE是向移動存儲器的某一地址寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)的子程序,。該程序中的子程序BSTART和BSTOP分別是產(chǎn)生一個起始位和停止位的子程序,,限于篇幅不再詳述。高低地址存入ADDR1,、ADDR0寄存器,,待發(fā)送數(shù)據(jù)存入DATAO寄存器。
WRITE                        
    CALL    BSTART      //調(diào)子程序,,產(chǎn)生一個起始位,。
    MOVLW    B′10100000′  //發(fā)送緩沖寄存器TXBUF置控
//制字內(nèi)容,a2,,a1,,a0為‘0’
    MOVWF    TXBUF      //選擇1#芯片,“寫”方式,。
    CALL    TX            //調(diào)字節(jié)發(fā)送子程序,,將TXBUF
//中的控制字發(fā)送到總線上
    MOVF    ADDR1,W    //將高字節(jié)地址存入TXBUF中
    MOVWF    TXBUF
    CALL    TX            //調(diào)子程序,,發(fā)送高字節(jié)地址
    MOVF    ADDR0,,W    //將低字節(jié)地址存入TXBUF中
    MOVWF    TXBUF
    CALL    TX          //調(diào)子程序,發(fā)送低字節(jié)地址
    MOVF    DATAO,,W,; //將DATAO中的待存儲數(shù)據(jù)
//送入TXBUF中
    MOVWF    TXBUF
    CALL    TX    //調(diào)子程序,發(fā)送該數(shù)據(jù)字節(jié)到總線
    CALL    BSTOP  //調(diào)子程序,,產(chǎn)生一個停止位
     RETLW    0
將發(fā)送寄存器TXBUF中的命令或數(shù)據(jù)內(nèi)容向移動存儲器發(fā)送的子程序為:
TX
    MOVLW    .8
    MOVWF    COUNT         //循環(huán)計數(shù)器,,連續(xù)發(fā)送8 bit
TXLP    
    BCF         EEPROM,DO //發(fā)送標(biāo)識位清零
    BTFSC    TXBUF,,7      //若發(fā)送寄存器高位為‘0’則
//EEPROM的‘DO’位為‘0’
    BSF         EEPROM,,DO  //否則為‘1’
    CALL    BITOUT           //調(diào)用子程序發(fā)送該位
    RLF         TXBUF,1     //發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)左移一位
    DECFSZ    COUNT,,1       //若已將最低位移至最高
//位,,則停止,,否則繼續(xù)循環(huán)發(fā)送
    GOTO    TXLP            
    CALL    BITIN          //若8 bit數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,則調(diào)
//用子程序接收應(yīng)答信號‘ACK’
    BTFSC    EEPROM,,DI     //若無應(yīng)答信號
    CALL    KEY_VO    //則調(diào)用子程序‘KEY_VO’發(fā)音提示
    RETLW    0               //否則返回
發(fā)送一位數(shù)據(jù)的子程序為:
BITOUT
        BANKSEL TRISC//設(shè)置SDA和SCK口為輸出模式
        BCF        TRISC,,SDA
        BCF        TRISC,,SCK
        BANKSEL    PORTC        //選擇PORTC口
        BTFSS    EEPROM,,DO    //若DO位為‘1’,則SDA
//口置‘1’,,否則置‘0’
        GOTO    BITLOW
        BSF        PORTC,,SDA
        GOTO    CLKOUT
BITLOW    BCF        PORTC,SDA
CLKOUT    BSF        PORTC,,SCK    //SCK置‘1’,,延時后置‘0’
        NOP                        
        NOP
        NOP
        NOP
        BCF        PORTC,SCK            
        RETLW    0
接收一位數(shù)據(jù)的子程序為:
BITIN
    BSF        EEPROM,,DI     //EEPROM的DI位預(yù)置‘1’
    BANKSEL    TRISC       //將SDA口設(shè)為輸入模式
    BSF        TRISC,,SDA
    BANKSEL    PORTC
    BSF        PORTC,SCK      //SCK時鐘線置‘1’,,并延時
    NOP
    NOP
    NOP
    NOP
    NOP
    BTFSS    PORTC,,SDA    //測試SDA口的電平,并暫存
//在DI位
    BCF        EEPROM,,DI
    BCF        PORTC,,SCK  //SCK時鐘線返回‘0’
    RETLW    0
 計算機(jī)端讀寫數(shù)據(jù)采集移動存儲器的程序可以用任何一種高級語言來編寫,其讀寫時序和讀寫流程與上述單片機(jī)端相似,。只需將圖2電路中的SDA和SCL信號分別定義在并行打印口的13腳和2腳即可,。
本文介紹了一種新穎的移動數(shù)據(jù)采集存儲器,其容量可達(dá)幾兆位,,傳輸速度可達(dá)1 Mb/s,。較好地解決了各種智能儀器上非實時數(shù)據(jù)的采集以及與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的問題。實踐證明,,該存儲器可靠性強(qiáng),、成本低廉、易于實現(xiàn),,具有很強(qiáng)的適用性和非常廣泛的推廣價值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 竇振中,汪立森.PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計與實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,,1999.
[2] 楊青川,,甄興福,李芳.I2C總線器件與非I2C總線單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布O(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,,2004(5):40-41,,48.
[3] Microchip Technology Inc.. 256K I2C CMOS serial EEPROM DS21203M[Z]. 2004.
[4] Microchip Technology Inc.. 28/40-pin 8-bit CMOS Flash microcontrollers DS30292A[Z]. 1998.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。