基于ATmega128的U盤(pán)高速數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)

王 龍，聶強(qiáng)廣

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，數(shù)據(jù)采集的增多，數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)必須考慮存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)容量、速度、質(zhì)量、便攜性及工業(yè)應(yīng)用環(huán)境等因素［1］.

本設(shè)計(jì)構(gòu)成的模塊有:主控處理器、數(shù)據(jù)通信模塊、flash讀取模塊、U盤(pán)讀取模塊、電源管理模塊，具體構(gòu)成如圖1所示.

圖1 整體框架圖

首先ATmega128主控芯片將外部接收到的數(shù)據(jù)，緩存到大容量flash中，再?gòu)膄lash中將緩存的數(shù)據(jù)讀出，借助U盤(pán)控制芯片CH376s將數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán)中.其采用flash作為前級(jí)數(shù)據(jù)緩存的目的，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入的速率與flash的存儲(chǔ)速率的匹配，不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)在采集時(shí)受U盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的速率限制，達(dá)成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的最佳效果.本設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn).

（1）將U盤(pán)應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)記錄儀，U盤(pán)高速數(shù)據(jù)記錄儀因避免了操作系統(tǒng)容易崩潰的問(wèn)題而具有更高的可靠性，操作簡(jiǎn)單方便且成本低廉.

（2）采用flash作為前級(jí)數(shù)據(jù)緩存的目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在采集存儲(chǔ)時(shí)寫(xiě)入的速率與flash的存儲(chǔ)速率完成有效的匹配，避免數(shù)據(jù)在采集存儲(chǔ)時(shí)受到U盤(pán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速率的限制，完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的最佳效果.

由U盤(pán)構(gòu)成的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存記錄儀，實(shí)現(xiàn)了快速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，能在單片機(jī)的控制下快速將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大容量U盤(pán)中，并且能脫離計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿(mǎn)足了在特殊條件下使用USB接口傳輸存儲(chǔ)數(shù)據(jù).本設(shè)計(jì)可面向海量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、設(shè)備黑匣子、考勤機(jī)數(shù)據(jù)記錄、水文監(jiān)測(cè)、無(wú)紙記錄儀及自動(dòng)化生產(chǎn)線等應(yīng)用場(chǎng)合.例如在原始生態(tài)自然保護(hù)區(qū)，需要記錄某段時(shí)間內(nèi)的降雨量或者是實(shí)時(shí)溫度變化情況，就可以通過(guò)雨量計(jì)量?jī)x或者溫度測(cè)量?jī)x檢測(cè)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境研究提供可靠的數(shù)據(jù)［2］.

1 flash電路模塊設(shè)計(jì)

flash芯片型號(hào)是W25Q128BV，容量有128M-bit，工作電壓2.7～3.6V，最大工作頻率100MHz［3］，可以通過(guò)串行方式，將代碼映射到RAM中，再通過(guò)spi控制方式來(lái)調(diào)控代碼和實(shí)現(xiàn)聲音、文本、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).W25Q128BV主要采用四條數(shù)據(jù)總線即CLK、/CS、DI、DO，他們分別對(duì)應(yīng)片選信號(hào)、數(shù)據(jù)輸入端、數(shù)據(jù)輸出端、時(shí)鐘控制信號(hào)，spi特點(diǎn)就是在發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)接收到對(duì)方一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù).

本設(shè)計(jì)中flash芯片W25Q128BV采用spi通信操作方式.spi控制方式主要有四條數(shù)據(jù)控制線，即MISO、MOSI、SCLK三條主要的數(shù)據(jù)線，另外一條是片選線CS，它主要控制spi接口的主從方式，當(dāng)設(shè)置為0時(shí)即為從設(shè)備，設(shè)置1也就是主設(shè)備.主從選擇非常方便，只需控制CS信號(hào)線的高低電平便可以快速選擇主從設(shè)備.

單片機(jī)與flash連接如圖2所示，CLK連接PB5、/CS連接PB4、DO連接PB6、DI連接PB7，程序配置流程，配置引腳使能，spi時(shí)鐘，系統(tǒng)IO口初始化，進(jìn)入spi初始化，判斷指定的spi標(biāo)志位是否已經(jīng)設(shè)置好，讀取發(fā)送緩存的空標(biāo)志位，判斷是否配置好spi緩存標(biāo)志.

圖2 單片機(jī)與flash連接

2 U盤(pán)讀取模塊設(shè)計(jì)

2.1 CH376使用分析

驅(qū)動(dòng)CH376s步驟.

配置頭文件，這其中有Atmega128相應(yīng)的頭文件及CH376應(yīng)用層和硬件層、文件系統(tǒng)層頭文件，例如#include、#include等.設(shè)置緩存區(qū)BUFFFER，其中buf根據(jù)需要設(shè)置為64，設(shè)置串口調(diào)試信息，配置硬件的波特率.

初始化后應(yīng)答正常就進(jìn)入中斷，中斷函數(shù)是CH376DiskConnect，等待U盤(pán)插入，緊接著檢查U盤(pán)相關(guān)信息，比如U盤(pán)的容量，接著創(chuàng)建文本文檔，通過(guò)串口返回監(jiān)測(cè)結(jié)果，初始化成功后，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài).

2.2 CH376s的UART通信方式

異步串口通訊方式主要包括:數(shù)據(jù)讀RXD和串行數(shù)據(jù)輸出引腳TXD.

CH376使用的串行數(shù)據(jù)傳輸格式采用字節(jié)傳輸方式，包含1位起始位和8位數(shù)據(jù)位及1位停止標(biāo)志位［4］.默認(rèn)設(shè)置的波特率是 9600bp，如果要修改波特率需要修改函數(shù)CMD_SET_BAUDRATE.

通訊過(guò)程中，分為兩個(gè)階段，即發(fā)送命令階段和命令應(yīng)答階段.其中發(fā)送命令也就是使用者向?qū)懭肫鳎ù趓s-233）提出操作申請(qǐng)和數(shù)據(jù)應(yīng)答，命令應(yīng)答是寫(xiě)入器向用戶(hù)命令返回的響應(yīng).

軟件接口功能.首先檢測(cè)U盤(pán)的狀態(tài)（如插入，拔出），創(chuàng)建文件和目錄（支持長(zhǎng)文件名文件和目錄），打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建的文件和目錄（支持長(zhǎng)文件名文件和目錄），從文件中讀取指定長(zhǎng)度和指定位置的數(shù)據(jù)（支持長(zhǎng)文件名文件和目錄）.

寫(xiě)數(shù)據(jù)到指定文件的指定地址（支持長(zhǎng)文件名文件和目錄），列舉目錄下的文件和目錄（支持長(zhǎng)文件名文件和目錄），刪除文件和目錄（支持長(zhǎng)文件名文件和目錄），查詢(xún)U盤(pán)容量.

2.3 CH376模塊電路設(shè)計(jì)

CH376的通信方式是異步串行通信UART，其中包含:RXD為串行數(shù)據(jù)輸入，TXD為數(shù)據(jù)輸出［5］.采用這種通信方式的優(yōu)勢(shì)是減少與單片機(jī)的連線.CH376s在通信中的數(shù)據(jù)格式屬于標(biāo)準(zhǔn)的字節(jié)傳輸模式，一位啟始位，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位.CH376能夠適應(yīng)硬件設(shè)定的串行通訊波特率，當(dāng)然也可以修改函數(shù)CMD_SET_BAUDRATE以匹配單片機(jī)的波特率.每次上電復(fù)位后，CH376s的波特率取決于BZ和SCK和SDI三個(gè)引腳的電平組合，與單片機(jī)的連線如圖3所示.

圖3 ch376模塊電路圖

3 串口通信模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是通過(guò)rs232標(biāo)準(zhǔn)串口通信，用串口軟件將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，再通過(guò)單片機(jī)spi傳輸方式傳輸給flash，進(jìn)行緩存.atmega128將flash緩存數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，通過(guò)uart通信將數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán).數(shù)據(jù)采取通過(guò)RS-232數(shù)據(jù)線與電腦的串口調(diào)試助手進(jìn)行通信，從而達(dá)到模擬數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán)后會(huì)返還一個(gè)代碼14給單片機(jī)，告知它一次數(shù)據(jù)存入完成，也會(huì)通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示，便于監(jiān)測(cè).

在單片機(jī)中TXD、RXD是TTL電平，要將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)成TTL電平，必須借助max323芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，將USB數(shù)據(jù)信號(hào)換成TTL電平數(shù)據(jù)，或?qū)TL電平轉(zhuǎn)換成USB信號(hào)，數(shù)據(jù)發(fā)送以100ms為周期，進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，便于直觀監(jiān)測(cè).電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示.

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

4 軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)程序流程圖

主程序流程如圖5所示.主程序首先對(duì)定時(shí)器、I/O口資源、wrd128flash、CH376s、串口通信等進(jìn)行初始化.初始化后應(yīng)答正常就進(jìn)入中斷，中斷函數(shù)是CH376DiskConnect，等待U盤(pán)插入，緊接著檢查U盤(pán)相關(guān)信息，比如U盤(pán)的容量，接著創(chuàng)建文本文檔，通過(guò)串口返回監(jiān)測(cè)結(jié)果，初始化成功后，寫(xiě)數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，讀緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到寫(xiě)入U(xiǎn)盤(pán).

圖5 主程序流程圖

數(shù)據(jù)采集最先在flash中緩存，其中flash中是以數(shù)組形式進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)分為一位空閑檢測(cè)位、一位地址位、八位數(shù)據(jù)位.主要采用的讀取方式是spi，讀取寄存器sprd.

將flash數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到U盤(pán)中，采用異步串行通信數(shù)據(jù)幀格式傳輸，數(shù)據(jù)幀是一位數(shù)據(jù)起始位、八位數(shù)據(jù)位、一位校驗(yàn)位和一位停止位.

4.2 CH376程序結(jié)構(gòu)分析

主程序除了對(duì)所用到的外設(shè)資源進(jìn)行初始化之外還調(diào)用了3個(gè)子程序，分別是模擬數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)程序、flash暫存讀取程序、對(duì)CH376s數(shù)據(jù)處理程序.CH376工作流程圖如圖6所示，初始化成功后，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài).首先檢測(cè)U盤(pán)的狀態(tài)（如插入，拔出），創(chuàng)建文件和目錄，打開(kāi)一個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建的文件和目錄，從文件中讀取指定長(zhǎng)度和指定位置的數(shù)據(jù)，最后等待設(shè)備的移除.

圖6 CH376工作流程圖

5 測(cè)試與檢驗(yàn)

5.1 數(shù)據(jù)采集測(cè)試與檢驗(yàn)

串口助手調(diào)試如圖7所示，開(kāi)機(jī)上電，自檢初始化，返回U盤(pán)信息狀態(tài)，返回指令字符14，初始化成功，通過(guò)串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，波特率為9600bps，自動(dòng)寫(xiě)數(shù)據(jù)周期為1000ms，模擬數(shù)據(jù)發(fā)送，每次數(shù)據(jù)寫(xiě)入成功會(huì)返回字符代碼14，并自動(dòng)換行.

圖7 串口助手調(diào)試

5.2 數(shù)據(jù)存取測(cè)試與檢驗(yàn)

借助串口調(diào)試助手XCOM V1.4進(jìn)行調(diào)試，需要安裝串口驅(qū)動(dòng)程序和CH340串口驅(qū)動(dòng)，連接硬件打開(kāi)串口，波特率設(shè)置9600bps，CH376模塊指示燈亮燈，表明連接正常，串口助手與單片機(jī)握手，進(jìn)行U盤(pán)數(shù)據(jù)信息讀取，并且在U盤(pán)中創(chuàng)建一個(gè)txt文件用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù).一切正常時(shí)會(huì)返回初始化成功的命令，并通過(guò)串口助手進(jìn)行顯示，這時(shí)就能進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)采集了.

利用串口軟件將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)spi傳輸方式傳給flash進(jìn)行緩存.atmega128將flash緩存中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，然后通過(guò)uart通信將數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán).數(shù)據(jù)采集是通過(guò)RS-232數(shù)據(jù)線與電腦的串口調(diào)試助手進(jìn)行通信，從而達(dá)到模擬數(shù)據(jù)采集，當(dāng)數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán)后會(huì)返還代碼14給單片機(jī)告知它一次數(shù)據(jù)存入完成，也會(huì)通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示，能直觀地看到一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)和完成，還可以通過(guò)電腦訪問(wèn)U盤(pán)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，圖8就是U盤(pán)中接收的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在一個(gè)txt文件中.

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效果圖