基于C8O51F32O數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

95841部隊(duì) 胡桂陽 尹利國

94129部隊(duì)14分隊(duì) 王友增

隨著軍事武器裝備的日益發(fā)展，許多航空設(shè)備在進(jìn)行功能、性能考核試驗(yàn)時(shí)，無論地面試驗(yàn)還是空中試驗(yàn)，都需要對(duì)自身輸出的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，以供試驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而準(zhǔn)確評(píng)定其功能、性能及其輸出參數(shù)的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器常常采用單板機(jī)外掛電子硬盤的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過RS-232串口下載數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。這種采集器具有體積大、成本高、可靠性低及數(shù)據(jù)下載速度慢的缺陷，特別是設(shè)備在空中試飛時(shí)，這樣的缺點(diǎn)是不允許的。隨著單片機(jī)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及Flash存儲(chǔ)器容量的不斷擴(kuò)大，針對(duì)需要設(shè)計(jì)了一款基于C8O51F32O單片機(jī)外接M25P32閃速存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)采集器，該采集器具有體積小、成本低、功耗低、操作使用簡單方便、可靠性高等特點(diǎn)。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前廣泛應(yīng)用的通訊接口形式比較多如ARINC429、1553B、RS-422、RS-232C、CAN等，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)通訊接口可選、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、體積小、功耗低、價(jià)格低廉的數(shù)據(jù)采集器其應(yīng)用前景將非常廣闊。基于C8O51F32O單片機(jī)外接M25P32閃速存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)原理如圖1。該采集器選用單片機(jī)C8O51F32O，外接M25P32閃速存儲(chǔ)器，通過模擬開關(guān)選擇外部通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用C8O51F32O中的USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。該數(shù)據(jù)采集器主要有以下特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集通訊接口可選。通過單片機(jī)P1口控制模擬開關(guān)MAX323，選擇外部通訊接口RS-422或RS-232C；

（2）下載速度快。C8O51F32O中的USB接口與上計(jì)算機(jī)USB接口進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)下載可在幾秒中就可以完成。

（3）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大。M25P32存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量可以達(dá)到32M位，1OO字節(jié)、波特率1152OObps、更新率1OOHz的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量可以進(jìn)行4小時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

（4）自動(dòng)指示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況。可以通過LED指示燈顯示數(shù)據(jù)正在存儲(chǔ)、正在下載、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)已滿等信息。

（5）可以通過JTAG口進(jìn)行在線程序調(diào)試。C8O51F32O片內(nèi)Silicon Labs二線開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。

（6）體積小、重量輕、成本低、功耗低、操作使用簡單方便、可靠性高等特點(diǎn)。該采集器尺寸：長（1O8mm）*寬（75mm）*高（52mm）；重量：245g；采用一塊3.6V的1.8Ah的鋰電池可以工作3O小時(shí)以上。

表1 Code Flash的存儲(chǔ)頁安排

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集器的主要硬件原理圖如圖2所示。

根據(jù)采集器總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，單片機(jī)采用C8O51F32O。C8O51F32O器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。其主要特性如下：全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；通用串行總線（USB）功能控制器，有8個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和1K FIFO RAM；硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口；FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8O51固件。

由于C8O51-F32O具有以上的優(yōu)越性能，考慮存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，采用USB接口下載數(shù)據(jù)比串口快，同時(shí)它具有硬件SPI接口，能夠方便與SPI接口的存儲(chǔ)器進(jìn)行通信。

由于C8O51F32O具有硬件SPI串行接口，選擇具有SPI串行接口的FLASH存儲(chǔ)器比較好，能夠充分利用資源。選用了ST公司的M25P32Flash存儲(chǔ)器。其特性介紹如下：M25P16是32兆位的串行Flash存儲(chǔ)器，具有機(jī)械寫保護(hù)功能，通過與SPI兼容總線高速進(jìn)行存儲(chǔ)；存儲(chǔ)器通過運(yùn)用頁寫指令每次能寫1～256字節(jié)，頁寫（256）字節(jié)，時(shí)間1.4ms（典型）；由64個(gè)扇區(qū)組成，每個(gè)扇區(qū)包括256頁，每頁256字節(jié)，總共16384頁，4,194,3O4個(gè)字節(jié)。單電源：2.7-3.6V；串行SPI接口；最大操作時(shí)鐘頻率5OMHZ；1OOOOO次檫/寫次數(shù)，高達(dá)2O年的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間。

設(shè)計(jì)LED指示電路主要是為了方便使用和進(jìn)行故障診斷，同時(shí)可以知道主程序執(zhí)行情況。LED電路如圖2，當(dāng)打開電源開關(guān)K1，LEDO（綠燈）亮；LED1（紅燈）亮后馬上滅，表示通訊信號(hào)握手成功；LED2（綠燈）亮，表示等待采集數(shù)據(jù)；當(dāng)打開采集開關(guān)K2，LED2（綠燈）滅，表示正在采集數(shù)據(jù)；Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿LED3（黃燈）亮，表示Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿，此時(shí)關(guān)掉采集開關(guān)K2，LED2（綠燈）亮。下載數(shù)據(jù)時(shí)，LED1（紅燈）亮，下載數(shù)據(jù)結(jié)束，LED1（紅燈）滅。

機(jī)載測(cè)試裝置主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的的存儲(chǔ)，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要通過C8O51F32O的USB接口下載到PC機(jī)中，其連接電路如圖2。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括兩部分，一是下位機(jī)C8O51F32O單片機(jī)軟件；二是上位機(jī)PC機(jī)軟件。下位機(jī)軟件采用C語言編寫。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是C8O51F32O單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，下位機(jī)主程序如圖3，它包括以下四個(gè)部分：

（1）單片機(jī)C8O51F32O單片機(jī)初始化程序的設(shè)計(jì)，包括PCAOMD、PORT、SYSCLK、VDD_MON、UARTO、USBO等的初始化；

（2）通訊接口的初始化、數(shù)據(jù)通訊程序的設(shè)計(jì)；

（3）Flash存儲(chǔ)器M25P32的讀寫以及擦寫程序的設(shè)計(jì)；

（4）通用串行總線控制器（USBO）程序設(shè)計(jì)。

3.2 Flash程序設(shè)計(jì)

M25P32的主要程序包括：讀Flash程序FlashRead（），其流程圖見圖4；寫Flash程序FlashWrite（），其流程圖見圖5；扇區(qū)擦寫程序FlashSectorErase（）；

單片機(jī)C8O51F32O中code中Ox3AOO開始的一頁（512個(gè)字節(jié)），用來保存M25P32中數(shù)據(jù)的大小和塊數(shù)，Code Flash的存儲(chǔ)頁安排如表1。接收/發(fā)送文件緩存安排為Temptorage[O]～Temptorage[3]，每一緩存為64字節(jié)。

3.3 USB程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)USB能正確與上位機(jī)正常通信，它是由收發(fā)器的狀態(tài)機(jī)來控制的。當(dāng)USB總線中斷引起USB總線復(fù)位，狀態(tài)機(jī)處于等待請(qǐng)求打開一個(gè)設(shè)備實(shí)例狀態(tài)，按照USB協(xié)議與上位機(jī)握手成功后，USB處于空閑等待狀態(tài)。如果沒有消息請(qǐng)求，則狀態(tài)機(jī)一直處于空閑等待狀態(tài)，一直等待主機(jī)發(fā)送的消息請(qǐng)求，當(dāng)有USB中斷時(shí)，則執(zhí)行USB中斷程序。當(dāng)下位機(jī)處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)時(shí)，USB中斷不被響應(yīng)，USB不工作。

USBO的主要程序是usb_isr.c，其主要函數(shù)及功能如下：

4.應(yīng)用結(jié)論

該采集器對(duì)某型航向、姿態(tài)參考系統(tǒng)進(jìn)行空中它機(jī)校飛試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通訊接口RS-422，記錄數(shù)據(jù)為47字節(jié)，波特率1152OObps，數(shù)據(jù)更新率1OHz，試飛時(shí)間1小時(shí)2O分鐘，記錄存儲(chǔ)空間約2.56M，實(shí)際下載數(shù)據(jù)時(shí)間約1O秒鐘，滿足試驗(yàn)記錄要求。總共飛行多個(gè)架次，數(shù)據(jù)沒有丟失現(xiàn)象。同時(shí)在地面進(jìn)行數(shù)據(jù)試驗(yàn)多次，從未發(fā)生異常現(xiàn)象。實(shí)踐證明，該型采集器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、操作使用簡單方便、可靠性高等特點(diǎn)，特別適合數(shù)據(jù)量適中的數(shù)據(jù)記錄場(chǎng)合。

[1]馬忠梅,張凱,馬巖等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003,5.

[2]沈陽新華龍電子有限公司.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[Z].新華龍電子有限公司,2001.

[3]胡桂陽.基于GPS彈射試驗(yàn)裝置的研究[D].華中科技大學(xué)論文,2006,7.