串行存儲器AT45DB161B在車輛行駛記錄儀中的應(yīng)用

1 概述

行駛記錄儀的主要數(shù)據(jù)包括事故疑點和行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)。其中，事故疑點數(shù)據(jù)是記錄儀以不大于0.2s的時間間隔持續(xù)記錄并存儲停車前20 s實時時間所對應(yīng)的車輛行駛速度及車輛制動狀態(tài)信號，記錄次數(shù)至少為1O次：行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)是無論車輛在行駛狀態(tài)還是停止狀態(tài)，記錄儀提供的與實時時間對應(yīng)的車輛行駛速度信息。記錄儀應(yīng)能以不大于1 min的時間間隔持續(xù)記錄并存儲車輛在最近360 h內(nèi)的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，該行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)主要是車輛在行駛過程中與實時時間相對應(yīng)的每分鐘間隔內(nèi)的平均行駛速度值[1]。

該記錄儀需要采用大容量的數(shù)據(jù)存儲器。以往的設(shè)計均采用并行存儲器或鐵電存儲器。其中并行存儲器存儲容量大，讀寫速度快。但是抗干擾能力差，而汽車上的干擾較強.雖然可以通過其它軟、硬件措施來避免。但是在設(shè)計時一般都需要選擇抗干擾能力強的芯片;鐵電存儲器采用串行接口，抗干擾能力強，也具有很高的靈活性，可以單字節(jié)讀寫(不需要擦除，可直接改寫數(shù)據(jù))，但其存儲密度小，單位成本高，讀寫速度較慢，由于行駛記錄儀要求每0.2 s采樣一次速度和狀態(tài)，因此讀寫存儲器的速度會影響采樣的精度和程序的運行。

現(xiàn)在的EEPROM閃速存儲陣列Flash Memory有ATMEL、SST的小扇區(qū)結(jié)構(gòu)閃速存儲器(Small Sector Flash Memory)和ATMEL的海量存儲器(Data-Flash Memory)。這類器件具有EEPROM與NOR技術(shù)Flash Memory的綜合優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為：

(1)讀寫靈活性比EEPROM差，不能直接改寫數(shù)據(jù)。在編程之前需先進行頁擦除，與NOR技術(shù)Flash Memory的塊結(jié)構(gòu)相比，其頁尺寸小，因而具有快速隨機讀取和快編程、快擦除的特點：

(2)與EEPROM相比，這種存儲器具有明顯的成本優(yōu)勢;

(3)存儲密度比EEPROM大，但比NOR技術(shù)Flash Memory小[2]。

因此，該Dataflash存儲容量大，讀寫速度快，抗干擾能力強，在行駛記錄儀中作存儲器是較好的選擇。本文給出了采用ATMEL的AT45DB161B來存儲數(shù)據(jù)的記錄儀設(shè)計方案。

2 AT45DB161B串行存儲器

ATMEL公司的Data-Flash產(chǎn)品的代表型號為AT45DBxxxx。此系列存儲器容量較大(從1～256MB);封裝尺寸小，最小封裝型式(CBGA)的尺寸為6 mm×8 mm：可采用SPI接口進行讀寫;硬件連線少;內(nèi)部頁面尺寸較小，8 MB容量的頁面尺寸為264字節(jié)，16 MB和32 MB容量的頁面尺寸為512字節(jié)，64 MB容量的頁面尺寸為1056字節(jié)，128 MB容量和256 MB容量的頁面尺寸為2112字節(jié)。另外，AT45DBxxxx系列存儲器內(nèi)部有兩個與主存頁面大小相同的SRAM緩存，可提高系統(tǒng)的靈活性，簡化數(shù)據(jù)的讀寫過程。AT45DBxxxx系列存儲器的工作電壓只需2.7～3.6 V;整個芯片的功耗也較小;典型讀取電流為4 mA，待機電流僅為2 μA：讀寫的速度最大為20 Mbps。

AT45DB161B的容量為16 MB。分成4096頁，每頁有528個字節(jié)[3]。另外還有兩個528字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器SRAM。在對主存儲器進行操作時，這兩個SRAM也可以接收數(shù)據(jù)。因此，和串行EEP-ROM相比。該器件可大大縮短讀寫時間。而采用SPI總線接口和并行的flash相比.其速度并不慢，而且抗干擾能力也比較強。

2.1 AT45DB161B引腳接口定義

表1所列是AT45DB161B的部分接口引腳定義。其中CS為片選信號，RESET為復(fù)位端，SCK、SI、SO為SPI總線，RDY/BUSY為忙信號，WP為前256頁的寫保護。

SPI接口是一種通用串行接口總線，利用SCK、SI和SO三根線可進行數(shù)據(jù)的讀/寫控制。數(shù)據(jù)以字節(jié)(8 bit)為單位。其中，SCK為時鐘信號，SI和SO為數(shù)據(jù)輸人和輸出線。

AT45DB161B僅支持SPI模式0和3。在這兩種模式下。SCK信號的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸入，下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出，二者的區(qū)別是SCK的起始電平不同。AT45DB161B復(fù)位時，默認為SPI模式3。

2.2 指令

除了存儲單元外，AT45DB161B內(nèi)部還包括命令用戶接口CUI(Command User Interface)和狀態(tài)機。CUI接收用戶的軟件指令，以將其翻譯成狀態(tài)機內(nèi)部操作碼并進行命令的有效性檢驗。狀態(tài)機則可控制存儲器所有的內(nèi)部操作。器件內(nèi)部包含一個8位的狀態(tài)寄存器，可用來指示設(shè)備的操作狀態(tài)。向存儲器輸入讀狀態(tài)寄存器命令可將狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)讀出。下面簡單介紹模式SPI0和模式SPI3的讀寫存儲單元和狀態(tài)寄存器指令。

(1)讀狀態(tài)寄存器

發(fā)送命令字0XD7?？梢灾苯拥玫綘顟B(tài)字(一個字節(jié))，其格式如下：

其中RDY/BUSY為1時表示不忙，可以接收下一條指令;為0則表示忙。

設(shè)計時可通過讀狀態(tài)寄存器或SO端口來判斷前一條指令是否讀寫完畢。當(dāng)存儲器不忙時，SO端口從O變到1。此外，RDY/BUSY端口也可以用來判斷前一條指令是否讀寫完畢。

COMP用來指示主存儲單元數(shù)據(jù)和緩沖器中數(shù)據(jù)的比較結(jié)果：COMP為0表示相等。COMP為1表示不同。Bit5一Bit2可表示存儲器的容量大小。

(2)讀存儲器指令

讀存儲器的數(shù)據(jù)有兩種方式，具體如圖1所示。其中一種是直接讀存儲器任意地址的數(shù)據(jù)，這可用指令D2H加3個字節(jié)的Dataflash地址再加上四個字節(jié)的空數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，以SPI模式3為例，其工作時序如圖2所示。

另一種是通過緩沖器1(2)來讀存儲器上某一頁的數(shù)據(jù)。該方式可分兩個步驟：一是將數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)緩沖器1(2)，即指令53H(55H)+3個字節(jié)的Dataflash中的頁地址(在任意SCK的模式下);二是讀數(shù)據(jù)緩沖器1(2)，這可用指令D4H(D6H)+3個字節(jié)地址(主要表示從數(shù)據(jù)緩沖器的哪個地址開始讀)+1個字節(jié)空數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

(3)向存儲器寫數(shù)據(jù)

寫存儲器也有兩種模式，具體如圖4所示。其中一種是通過緩沖器1(2)直接寫到存儲器中;另一種是先寫到緩沖器，再將緩沖器的數(shù)據(jù)寫到存儲器中。

上述幾個命令的格式都是一個字節(jié)的命令+3個字節(jié)的地址。

3 W77E58和AT45DB161B的接口電路

W77E58是華邦電子公司(WinBond)推出的高速增強型：MCS-51系列單片機。使用W77E58的系統(tǒng)速度要比傳統(tǒng)51系列單片機快2.5倍。工作頻率為40 MHz的W77E58相當(dāng)于100 MHz的8051，加上其內(nèi)置32 KB可重復(fù)編程的Flash EPROM和1KB用MOV指令訪問的內(nèi)部SRAM(節(jié)省了16條數(shù)據(jù)/地址I/O口線)，以及2個增強型全雙工串行口和較低的價格，W77E58無疑是一款高性能、多功能、的高集成度8位微控制器，非常適合高速、雙串口、外圍簡捷、低成本系統(tǒng)。其抗干擾性能和加密性能相對也是比較好的[4]。

4 軟件實現(xiàn)

由于W77E58沒有SPI總線，因而需要用軟件來實現(xiàn)，下面給出SPI總線模擬程序和對AT45DB161B的讀寫程序。

該軟件采用Keil C編程，其源程序代碼如下：

4.1 SPI總線的模擬

(1)從SPI上讀一個字節(jié)

(2)寫Datanash中的數(shù)據(jù)

下面的程序采用先寫到緩沖器，再將緩沖器的數(shù)據(jù)寫到存儲器中的方式存儲數(shù)據(jù)：