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

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）

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(bǔ)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。

圖1 移動數(shù)據(jù)采集存儲器的原理框圖

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。

圖2 移動數(shù)據(jù)采集存儲器的電路圖

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。

圖3 I2C總線的時序

（A）段：總線空閑狀態(tài)。SDA和SCL都保持高電平。

（B）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。

（C）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。

（D）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 215B 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。

圖4 24xx256的命令格式

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。

圖5 串行存儲器的寫入流程

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。

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：

發(fā)送一位數(shù)據(jù)的子程序為：

接收一位數(shù)據(jù)的子程序為：

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。

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