基于單片機(jī)的大容量靜態(tài)存儲器接口設(shè)計

摘要：為解決采集系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)傳輸問題，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中基于單片機(jī)大容量靜態(tài)存儲器的應(yīng)用進(jìn)行了刨析。閃速存儲器采用Atmel公司的AT29C040，對系統(tǒng)的總體設(shè)計思想及閃速存儲器的特點(diǎn)做了闡述。給出了基于8位單片機(jī)進(jìn)行4 Mb高速存儲器擴(kuò)展的具體接口電路及其驅(qū)動程序。該系統(tǒng)具有在掉電情況下保存數(shù)據(jù)的功能，且具有存儲數(shù)據(jù)容量大，體積小，功耗低，數(shù)據(jù)保存安全可靠等特點(diǎn)，適合于便攜式流動性環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；靜態(tài)存儲器；接口；數(shù)據(jù)采集

0 引言
    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中需要采集存儲的信息越來越多，相應(yīng)地使用了各種數(shù)據(jù)采集裝置，以獲得被研究對象的相關(guān)信息。有時為了節(jié)約時間和計算機(jī)資源，一般并不是在當(dāng)?shù)亓⒓刺幚磉@些信息數(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)傳向后臺由后臺計算機(jī)進(jìn)行處理、分析。它們之間的數(shù)據(jù)傳輸媒介有有線傳輸、無線傳輸和硬盤等幾種型式。當(dāng)采集現(xiàn)場條件不允許時，比如地形復(fù)雜且離后臺距離較遠(yuǎn)，有線、無線傳輸均不適用。此外，有時周圍環(huán)境會出現(xiàn)高濕度、高粉塵的惡劣情況，在這種條件下硬盤驅(qū)動器就難以可靠工作。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)中在特定條件下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，通過長時間的研究，設(shè)計出一種基于單片機(jī)超大容量存儲器。該存儲器容量可達(dá)4 Mb，基本可以滿足復(fù)雜環(huán)
境下信息采集存儲的需要。

1 系統(tǒng)設(shè)計
    基于單片機(jī)存儲器存取數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


    圖1中單片機(jī)是控制核心，存儲器是控制對象，所有電路均為二者服務(wù)。由于存儲器是4 Mb的，單片機(jī)的地址線已經(jīng)不夠用了，為了進(jìn)行擴(kuò)展，加入地址擴(kuò)展電路。為了加快存儲器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，特加入了并機(jī)接口電路。譯碼電路是為了增加I／O的口數(shù)量。
1．1 中央處理器(CPU)
    采用W78E516B單片機(jī)，內(nèi)部包含有：64 kBE2PROM，可省去最小系統(tǒng)，節(jié)省了并行口。
1．2 存儲器
    靜態(tài)存儲器的核心是存儲器芯片，國內(nèi)市場有2種類型：
    (1)芯片內(nèi)部有自帶電池的NVRAM。
    (2)自己設(shè)計掉電保護(hù)電路使用普通的SRAM，DRAM。閃速存儲器是一種非易失性存儲器，即使切斷供電電源以后也能保持所存儲的數(shù)據(jù)，在不加電的情況下存儲在內(nèi)的信息可長達(dá)lO年之久。閃速存儲器可以隨機(jī)尋址、訪問時間很短，能抵抗強(qiáng)烈的碰撞，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可靠性好，平均無故障時間可達(dá)數(shù)百萬小時。因此可以取代硬盤用于可移動設(shè)備、工業(yè)電子產(chǎn)品領(lǐng)域及惡劣環(huán)境中，其性能價格比很好。系統(tǒng)選用Atmel公司生產(chǎn)的閃速存儲AT29C040芯片，它是國外新一代產(chǎn)品，容量可達(dá)4 Mb，采用分頁管理方式，這種芯片的讀／寫與一般RAM有所不同。對芯片的基本操作如下：
    讀：當(dāng)CE和OE為低，WE為高時，由地址決定的存儲器單元將數(shù)據(jù)輸出；當(dāng)CE或OE為高時，輸出為高阻態(tài)。這種雙線控制為設(shè)計者防止總線爭用提供了靈活性。
    字節(jié)裝入：用于輸入要編程的128 B(一個扇區(qū))數(shù)據(jù)或保護(hù)數(shù)據(jù)軟件代碼。當(dāng)OE為高時，對WE加一負(fù)脈沖同時CE為低，或?qū)E加負(fù)脈沖同時WE為低時，將地址在CE或WE首先下降的一個下降沿鎖定，數(shù)據(jù)由CE和WE首先上升的上升沿鎖定。
    編程：芯片編程以扇區(qū)為單位。如果要改變扇區(qū)中的一個數(shù)據(jù)，扇區(qū)中所有的數(shù)據(jù)都要重新裝入芯片，扇區(qū)中所有沒有裝入的字節(jié)在編程中都將被擦寫為FFH。一旦一個扇區(qū)中的所有字節(jié)都裝入芯片，芯片立即在編程周期中對其進(jìn)行編程，在第一個字節(jié)裝入后，后續(xù)字節(jié)以同樣方式裝入。每一個新裝入字節(jié)的WE由高到低的跳變必須在前一個字節(jié)WE信號由低變高的150μs以內(nèi)。如果在上個裝入字節(jié)后150μs內(nèi)沒有檢測到WE由高向低跳變，裝入周期終止，內(nèi)部編程周期開始。A7～A16確定扇區(qū)地址，在WE由高到低的變化中必須有效，A0～A6確定扇區(qū)內(nèi)的字節(jié)地址，裝入字節(jié)可以任意次序，不必順序裝入。
    軟件數(shù)據(jù)保護(hù)：在AT29C04O中應(yīng)用了軟件控制保護(hù)數(shù)據(jù)的功能，一旦對芯片使用軟件保護(hù)，則在芯片編程之前必須按一定算法進(jìn)行操作。軟件保護(hù)可以由用戶啟動或停止。啟動軟件保護(hù)由一組3個編程命令組成，對特定地址送特定數(shù)據(jù)。啟動軟件保護(hù)以后每次對芯片編程都必須在編程周期前送相同的3個編程命令。一旦啟動軟件保護(hù)，它將一直保持直到執(zhí)行停止命令，上電掉電不能改變軟件保護(hù)的狀態(tài)。因此在電源變化期間，為防止誤編程，啟動保護(hù)后，沒有3 B命令的寫操作無效，但在twc期間，讀操作為有效操作。
    硬件數(shù)據(jù)保護(hù)：AT29C040硬件防止誤編程通過以下途徑：
    如果電源電壓低于3．8 V，禁止編程；
    電源電壓上電到達(dá)3．8 V以上后，芯片自動延時5 ms后才開始編程；
    OE為低或CE為高或WE為高禁止編程周期；
    如果WE或CE是小于15 ns的脈沖則不會啟動編程周期。
1．3 接口電路設(shè)計
    通過上述分析，設(shè)計大容量存儲器的接口電路如圖2所示。


    該接口電路圖為實(shí)際工程應(yīng)用中的剪切圖，其中單片機(jī)采用的是華邦W78E516B，由于8位單片機(jī)I／O口數(shù)量有限，在工程應(yīng)用中一般不能滿足要求(圖中沒連線的I／O口已被用作其他用途)，因此采用74LS138進(jìn)行了擴(kuò)展。由于29C040為4 Mb的容量，所以單片機(jī)的16位數(shù)據(jù)線已不能滿足要求，為了進(jìn)行大容量存儲器的擴(kuò)展，采用8255來擴(kuò)展存儲器的地址線及訪問的范圍00000～7FFFF。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計存儲容量從4 Mb到數(shù)Gb的存儲器。

2 軟件設(shè)計
    為了增加數(shù)據(jù)存儲的安全性，在讀／寫數(shù)據(jù)之前，要經(jīng)過一定的指令才能進(jìn)行讀／寫，其保護(hù)指令如圖3、圖4所示。如下程序是把存儲器中的數(shù)據(jù)刪除和對存儲器進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)的程序段。該部分程序已通過調(diào)試，是產(chǎn)品中程序的一部分。

3 結(jié)語
    AT29C040具備在掉電情況下保存數(shù)據(jù)的功能，在實(shí)際應(yīng)用中工作可靠，適合于便攜式流動性環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，特別是在應(yīng)用中對數(shù)據(jù)存儲有要求且存儲容量較大的場合更有其發(fā)揮的地方。本文中所述部分即為實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用。