基于AVR單片機(jī)大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：高速嵌入式AVR單片機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，但由于自身存儲容量過小而不能盡其所能，外擴(kuò)Flash芯片很好地解決了存儲容量上的瓶頸，在提高單片機(jī)性能的同時大大降低了系統(tǒng)成本?；诖嗽O(shè)計了5路A／D采集電路，同時介紹了各個芯片的特點(diǎn)、功能結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上給出了它們之間的硬件接口設(shè)計及程序設(shè)計流程。
關(guān)鍵詞：大容量數(shù)據(jù)采集；AVR單片機(jī)；Flash存儲器，接口設(shè)計

0 引言
    AVR系列單片機(jī)一直以功能強(qiáng)、高可靠性、高速度、低功耗等特點(diǎn)而受到廣泛的應(yīng)用。但是AVR單片機(jī)自身的存儲空間不大，例如在長時間或者高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)存儲空間需求很大，單片機(jī)自身的空間難以滿足存儲要求，所以在大容量數(shù)據(jù)采集的場合下其作用受到了限制。因此，在AVR單片機(jī)的基礎(chǔ)上外擴(kuò)一個存儲芯片可以解決其存儲容量小的問題。
    Flash存儲器體積小、容量大、并可隨機(jī)訪問，是作為擴(kuò)展存儲芯片的最佳選擇。設(shè)計中采用了sumsung公司生產(chǎn)的NAND型的K9F5608UOM芯片作為擴(kuò)展存儲。

1 硬件設(shè)計
    論文設(shè)計了5路A／D采集電路，介紹了如何在實(shí)際的電路中實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集。設(shè)計要求：5路并行采集電路，A／D采集精度為12位，每路的采集速度約為10 k／s，有效采集時間約為10分鐘。由此我們可以得到所需要的存儲空間大小大約為3 M(10×5 x10×60 K)，一般AVR單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲容量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的，因此擴(kuò)展一個FLASH芯片作為數(shù)據(jù)存儲器。
    整個數(shù)據(jù)控制采集系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是MAX1304模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊、K9F4G08UOM存儲芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲模塊以及Atm-ega16L芯片組成的系統(tǒng)控制模塊。系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架見圖1。

1．1 系統(tǒng)控制芯片介紹
    ATmage16L是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款AVR單片機(jī)，采用RISC指令系統(tǒng)，Havard結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有接近1MIPS／MHz的高速處理能力，具有16 k字節(jié)的在線編程FLASH，512字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，32個可編程雙向I／O口可傳送地址和數(shù)據(jù)。芯片引腳見圖2。

1．2 A／D芯片接口設(shè)計
    MAX1304是MAXIM公司推出的可編程12位精度串行輸出A／D轉(zhuǎn)換芯片，它具有8路模擬通道輸入，每路都有獨(dú)立的采樣保持(T／H)電路。并行采樣的功能極大地提高了采樣速率，可應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)采集電路中。其電壓輸入范圍為0～+5 V，并具有±6 V的故障保護(hù)，為電路提供了很好的安全屏障。內(nèi)部或外部基準(zhǔn)模式以及內(nèi)部或外部時鐘選擇使得在設(shè)計電路時有了很大的靈活性。本設(shè)計中選用的是內(nèi)部時鐘及內(nèi)部基準(zhǔn)模式(電路典型接法如圖3所示)。MAX1304的數(shù)據(jù)位與ATmegal6L的B，D兩個擴(kuò)展口相連，以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的讀??；其控制位與ATmegal6L的A擴(kuò)展口連接，控制AD轉(zhuǎn)換、芯片配置等操作。
    MAX1304的12個I／O口中高8位分別與PB的8個口相連，低4位與PD的前4個口相連。其中可以通過配置高8位D0～D7來選通要啟動的模擬輸入通道。上電時，在啟動轉(zhuǎn)換位CONVST(接PA4)之前寫入配置寄存器，以選擇有效通道。寫配置寄存器時，將片選CS(接PA3)和寫使能WR(PA2)設(shè)為低電平，然后將D0～D7位裝載到并行總線，再將WR置為高電平，數(shù)據(jù)在WR的上升沿鎖存。轉(zhuǎn)換結(jié)束位EOLC(接PA0)，所有選通通道轉(zhuǎn)換結(jié)束指示，在EOLC的下降沿，將CS(接PA3)和讀RD(接PA1)置為低電平，把第一個轉(zhuǎn)換結(jié)果置于并行總線。RD連續(xù)的低電平脈沖將轉(zhuǎn)換結(jié)果順次放到總線上。時序中最后一個轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取后，額外的讀脈沖可以使指針重新指向第一個轉(zhuǎn)換結(jié)果。
1．3 Flash芯片接口設(shè)計
    K9F5608UOM 32M×8位閃速存儲器是sumsung公司生產(chǎn)的基于NAND技術(shù)的大容量、高可靠性存儲器。該芯片結(jié)構(gòu)簡單，只有一顆存儲體；數(shù)據(jù)讀、寫、擦除速度快，按頁順序讀取平均每字節(jié)50 ns，與一般的SRAM相當(dāng)；接口電路簡潔，8位雙向I／O口端口，地址，數(shù)據(jù)復(fù)用；編程簡單，片內(nèi)的寫操作控制器自動執(zhí)行所有的寫操作和擦除功能，包括提供必要的脈沖、內(nèi)部校驗(yàn)等，完全不用外部控制器考慮；數(shù)據(jù)完全性好，具有硬件寫保護(hù)功能，采用CMOS浮置門技術(shù)提高其壽命(可擦寫100，000次)，數(shù)據(jù)保存10年不丟失。本設(shè)計中Flash的數(shù)據(jù)位與ATme-gal6L的C擴(kuò)展口相連，控制位與ATmegal6L的B，D擴(kuò)展口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入操作。

    如圖4所示Flash芯片的8個I／O與ATmega16L的PC0～7相連，作為數(shù)據(jù)總線，用于輸入命令、地址、數(shù)據(jù)，在讀操作中輸出數(shù)據(jù)。忙閑指示(R／B)接PD4，器件運(yùn)行狀態(tài)指示，當(dāng)進(jìn)行一個寫、擦、隨機(jī)讀取操作時，指示為低電平，操作結(jié)束后指示高電平。讀使能RE接PD5，控制把片內(nèi)數(shù)據(jù)放到I／O中線上，在它的下降沿時數(shù)據(jù)有效，同時使內(nèi)部的列地址自動加1。寫使能WE接PA5，用于控制把命令、地址和數(shù)據(jù)在它的上升沿寫入到I／O口，而在讀操作時必須保持高電平。片選CE接PD6，用于器件的選擇控制，在進(jìn)行讀操作時，如果CE變?yōu)楦唠娖剑骷D(zhuǎn)入待用狀態(tài)，而當(dāng)器件寫操作或擦除過程中，則不受CE高的影響。命令鎖存使能CLE接PA7，使輸入的命令發(fā)送到命令寄存器，當(dāng)變成高電平時，在WE上升沿命令通過I／O口鎖存到命令寄存器。地址鎖存器使能ALE接PA6，使輸入的地址發(fā)送到地址寄存器，當(dāng)變成高電平時，地址在WE的上升沿被鎖存。寫保護(hù)WP提供由于芯片供電壓突變而引起的意外擦寫操作保護(hù)，當(dāng)WP置低時，內(nèi)部高壓源使芯片復(fù)位，引腳狀態(tài)不定，處于無操作態(tài)。由于本設(shè)計只需要向Flash中寫入數(shù)據(jù)，所以寫保護(hù)WP接VCC強(qiáng)制高電平。

2 軟件設(shè)計流程
    數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)字化5個通道的模擬輸入量，將每路模擬量轉(zhuǎn)化為并行輸出的12位數(shù)字量。控制模塊的作用是將MAX1304所轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并寫入到K9F4G08UOM存儲模塊中。

    由圖5可以看到整個軟件的設(shè)計流程。MAX1304在上電時，開始配置寄存器選通前5路模擬通道輸入。在第一個CONVST脈沖上升沿時，5路并行采樣數(shù)據(jù)開始轉(zhuǎn)換。當(dāng)所選通道數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化完畢時，EOLC將輸出低電平，可以通過查詢該端口狀態(tài)來了解轉(zhuǎn)換是否完成。當(dāng)該端口電平為高時，繼續(xù)轉(zhuǎn)換下一路通道數(shù)據(jù)；為低時，ATmega16L配置相應(yīng)的讀取端口為讀取狀態(tài)，將這一路數(shù)據(jù)讀到ATmega16L的緩存中，并控制Flash芯片將緩存中的數(shù)據(jù)寫入其中。隨著5個RD的脈沖信號，5路的數(shù)據(jù)將依次放置12位I／O總線上。所以，循環(huán)操作5次即可將一次并行采集的數(shù)據(jù)寫入Flash。然后進(jìn)入下一時刻讀取寫入操作，整個過程循環(huán)操作即可。

3 結(jié)束語
    通過這個5路采集電路，可以看出ATmega16L單片機(jī)和32M的K9F5608UOM大容量Flash存儲芯片在實(shí)際的接口設(shè)計是十分簡單的，而且操作靈活多變。在以上設(shè)計基礎(chǔ)上還可以將5路擴(kuò)展到8路以內(nèi)(通過配置MAX1304芯片可以實(shí)現(xiàn))，實(shí)現(xiàn)更多路的并行采集，并且可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇大小合適的Flash芯片。這種可擴(kuò)展的采集電路具有很高的性價比，無需選擇更昂貴的大容量控制芯片，可廣泛用于大批量數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)中。