基于AVR單片機大容量數(shù)據采集系統(tǒng)的設計

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

0 引言
    AVR系列單片機一直以功能強、高可靠性、高速度、低功耗等特點而受到廣泛的應用。但是AVR單片機自身的存儲空間不大，例如在長時間或者高速數(shù)據采集系統(tǒng)中，對數(shù)據存儲空間需求很大，單片機自身的空間難以滿足存儲要求，所以在大容量數(shù)據采集的場合下其作用受到了限制。因此，在AVR單片機的基礎上外擴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、并可隨機訪問，是作為擴展存儲芯片的最佳選擇。設計中采用了sumsung公司生產的NAND型的K9F5608UOM芯片作為擴展存儲。

1 硬件設計
    論文設計了5路A／D采集電路，介紹了如何在實際的電路中實現(xiàn)大容量數(shù)據采集。設計要求：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單片機的數(shù)據存儲容量是遠遠達不到的，因此擴展一個FLASH芯片作為數(shù)據存儲器。
    整個數(shù)據控制采集系統(tǒng)由三大模塊組成，分別是MAX1304模數(shù)轉化芯片構成的數(shù)據采集模塊、K9F4G08UOM存儲芯片構成數(shù)據存儲模塊以及Atm-ega16L芯片組成的系統(tǒng)控制模塊。系統(tǒng)設計構架見圖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，采用RISC指令系統(tǒng)，Havard結構設計，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)據存儲器，32個可編程雙向I／O口可傳送地址和數(shù)據。芯片引腳見圖2。

1．2 A／D芯片接口設計
    MAX1304是MAXIM公司推出的可編程12位精度串行輸出A／D轉換芯片，它具有8路模擬通道輸入，每路都有獨立的采樣保持(T／H)電路。并行采樣的功能極大地提高了采樣速率，可應用在高速數(shù)據采集電路中。其電壓輸入范圍為0～+5 V，并具有±6 V的故障保護，為電路提供了很好的安全屏障。內部或外部基準模式以及內部或外部時鐘選擇使得在設計電路時有了很大的靈活性。本設計中選用的是內部時鐘及內部基準模式(電路典型接法如圖3所示)。MAX1304的數(shù)據位與ATmegal6L的B，D兩個擴展口相連，以實現(xiàn)采集數(shù)據的讀??；其控制位與ATmegal6L的A擴展口連接，控制AD轉換、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)據在WR的上升沿鎖存。轉換結束位EOLC(接PA0)，所有選通通道轉換結束指示，在EOLC的下降沿，將CS(接PA3)和讀RD(接PA1)置為低電平，把第一個轉換結果置于并行總線。RD連續(xù)的低電平脈沖將轉換結果順次放到總線上。時序中最后一個轉換結果讀取后，額外的讀脈沖可以使指針重新指向第一個轉換結果。
1．3 Flash芯片接口設計
    K9F5608UOM 32M×8位閃速存儲器是sumsung公司生產的基于NAND技術的大容量、高可靠性存儲器。該芯片結構簡單，只有一顆存儲體；數(shù)據讀、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；接口電路簡潔，8位雙向I／O口端口，地址，數(shù)據復用；編程簡單，片內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、內部校驗等，完全不用外部控制器考慮；數(shù)據完全性好，具有硬件寫保護功能，采用CMOS浮置門技術提高其壽命(可擦寫100，000次)，數(shù)據保存10年不丟失。本設計中Flash的數(shù)據位與ATme-gal6L的C擴展口相連，控制位與ATmegal6L的B，D擴展口連接，實現(xiàn)數(shù)據的寫入操作。

    如圖4所示Flash芯片的8個I／O與ATmega16L的PC0～7相連，作為數(shù)據總線，用于輸入命令、地址、數(shù)據，在讀操作中輸出數(shù)據。忙閑指示(R／B)接PD4，器件運行狀態(tài)指示，當進行一個寫、擦、隨機讀取操作時，指示為低電平，操作結束后指示高電平。讀使能RE接PD5，控制把片內數(shù)據放到I／O中線上，在它的下降沿時數(shù)據有效，同時使內部的列地址自動加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，在進行讀操作時，如果CE變?yōu)楦唠娖?，器件轉入待用狀態(tài)，而當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，當變成高電平時，地址在WE的上升沿被鎖存。寫保護WP提供由于芯片供電壓突變而引起的意外擦寫操作保護，當WP置低時，內部高壓源使芯片復位，引腳狀態(tài)不定，處于無操作態(tài)。由于本設計只需要向Flash中寫入數(shù)據，所以寫保護WP接VCC強制高電平。

2 軟件設計流程
    數(shù)據采集模塊負責數(shù)字化5個通道的模擬輸入量，將每路模擬量轉化為并行輸出的12位數(shù)字量?？刂颇K的作用是將MAX1304所轉化的數(shù)據進行讀取并寫入到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)據開始轉換。當所選通道數(shù)據全部轉化完畢時，EOLC將輸出低電平，可以通過查詢該端口狀態(tài)來了解轉換是否完成。當該端口電平為高時，繼續(xù)轉換下一路通道數(shù)據；為低時，ATmega16L配置相應的讀取端口為讀取狀態(tài)，將這一路數(shù)據讀到ATmega16L的緩存中，并控制Flash芯片將緩存中的數(shù)據寫入其中。隨著5個RD的脈沖信號，5路的數(shù)據將依次放置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)據寫入Flash。然后進入下一時刻讀取寫入操作，整個過程循環(huán)操作即可。

3 結束語
    通過這個5路采集電路，可以看出ATmega16L單片機和32M的K9F5608UOM大容量Flash存儲芯片在實際的接口設計是十分簡單的，而且操作靈活多變。在以上設計基礎上還可以將5路擴展到8路以內(通過配置MAX1304芯片可以實現(xiàn))，實現(xiàn)更多路的并行采集，并且可以根據實際情況來選擇大小合適的Flash芯片。這種可擴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)據采集記錄系統(tǒng)中。