STC15和CH376的實時海量數據采集系統設計

鄭玉章,徐愛鈞

(長江大學電子信息學院,荊州434023)

STC15和CH376的實時海量數據采集系統設計

鄭玉章,徐愛鈞

(長江大學電子信息學院,荊州434023)

設計了一種基于STC15單片機的U盤實時海量數據采集系統。該系統利用USB接口芯片CH376對U盤進行讀寫操作,利用實時時鐘芯片DS12887實時采集記錄數據的時間,將采集到的海量數據以EXCEL文件形式存儲在U盤中。實驗結果表明,該方案能夠采集、存儲海量數據而且還兼顧成本低、通用性強、移動性好等優點,具有一定實用價值。

STC15;CH376;U盤;海量數據采集

引 言

在工業數據采集中,數據的存儲擔負著記錄系統運行狀態的責任,基于單片機的數據采集儀表以其成本低廉、操作簡單、工作可靠而得到大批量應用。鑒于單片機數據采集系統的以上優勢提出了一種基于STC15系列單片機和CH376的U盤海量存儲數據方案,該方案利用南京沁恒公司推出的USB接口芯片CH376對U盤進行讀寫操作,完成超速信息的轉存,并采用沁恒公司提供的FAT文件系統庫,將采集到的數據以文件的形式存儲在U盤中,操作者可以方便地利用PC機對采集到的數據進行分析和處理[1]。

1 系統設計

系統主要框圖如圖1所示,主要是以STC15F2K60S2單片機為核心,通過擴展外圍接口而使其以低成本的優勢滿足大容量數據采集存儲的要求。被測信號經過前端調理電路的放大與濾波處理后進入單片機的片內A/D轉換模塊,此時采樣數據存儲于單片機內部開辟的緩沖數組中,當緩沖區滿后通過控制CH376向U盤寫入采樣數據,并同時將DS12887內的時間信息寫入文件中。

圖1 系統設計的主要框圖

1.1 STC15F2K60S2單片機簡介

STC15F2K60S2系列單片機是STC公司生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,采用STC- Y5超高速CPU內核。STC15F2K60S2系列單片機是高速/高可靠/低功耗/超強抗干擾的一代8051單片機,采用第八代加密技術,加密性超強,指令代碼完全兼容傳統8051。內部集成高精度R/C時鐘,可設置5～35 MHz的工作頻率,徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復位電路,具有3路CCP/PWM/PCA和 8路高速A/D轉換器,內置2 KB大容量SRAM,2組高速異步串行通信端口UART1/UART2,一組高速同步通信端口SPI,廣泛地用于一般的現代工業控制領域[2]。

1.2 CH376模塊設計

1.2.1 USB接口芯片CH376簡介

CH376是南京沁恒公司推出的一款U盤和SD卡文件管理控制芯片,用于單片機或嵌入式系統讀寫U盤或者SD卡中的文件。CH376支持USB設備方式和USB主機方式,并且內置了USB通信協議的基本固件,內置了處理海量存儲Mass- Storage設備的專用通信協議的固件,內置了SD卡的通信接口固件,內置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統的管理固件,支持常用的USB存儲設備(包括U盤/USB硬盤/USB閃存盤/USB讀卡器)和SD卡(包括標準容量SD卡和高容量HC- SD卡以及協議兼容的MMC卡和TF卡)。

CH376支持3種通信接口:8位并口、SPI接口或者異步串口,單片機/DSP/MCU/MPU等控制器可以通過上述任何一種通信接口控制CH376芯片,存取U盤或者SD卡中的文件或者與計算機通信。CH376芯片內部集成了USB- SIE和Phy- I/O、CRC數據校驗、USB- Host控制器、USB- Device控制器、SD卡SPI- Host控制器、被動并行接口、SPI- Slave控制器、異步串口、雙口SRAM、FIFO、高速MCU、固件程序、晶體振蕩器和PLL倍頻器、電源上電復位電路等。其主要特點概括為:

①支持1.5 Mbps低速和12 Mbps全速USB通信,兼容USB V2.0;

②支持USB- HOST主機接口和USB- DEVICE設備接口,支持動態切換主機方式與設備方式;

③內置USB通信協議的基本固件處理海量存儲Mass -Storage設備的專用通信協議固件,SD卡的通信接口固件以及FAT 16/FAT 32和FAT 12文件系統的管理固件;

④ 提供文件管理功能、文件讀寫功能和磁盤管理功能;

⑤提供2 MB速度的8位被動并行接口,提供2 MB/ 24 MHz速度的SPI設備接口,提供最高3 Mbps速度的異步串口;

⑥支持5 V/3.3 V/3 V電源電壓,支持低功耗模式[3]。

1.2.2 CH376硬件電路設計

USB接口芯片CH376模塊硬件電路設計如圖2所示。單片機與CH376采用的是硬件總線8位并口連接方式,這樣無需用I/O模擬CH376讀寫時序,簡化了軟件的設計。CH376芯片通過8位被動并行接口的D7～D0、RD #、WR#、PCS#、A0直接連接到STC15F2K60S2單片機的系統總線上,其中D7～D0連接STC15F2K60S2的數據總線P0.7～P0.0引腳上,RD#、WR#引腳與STC15F2K60S2的對應引腳相連,INT#引腳連到STC15F2K60S2的外部中斷INT0上,采用中斷方式處理USB數據傳輸,PCS#連接STC15F2K60S2的P2.6引腳來控制CH376的使能, A0連到STC15F2K60S2的P2.0引腳。因此,CH376命令寄存器的地址可選為BDF1 H,數據寄存器的地址可選為BCF0 H。

另外,R2用于限制作為USB主機提供給外部USB設備的電流,電容C1用于CH376內部電源節點退耦,C1是容量為4 700 p F～0.02μF的獨石或者高頻瓷片電容。電容C3和C4用于外部電源退耦,C3是容量為0.1μF的獨石或者高頻瓷片電容。晶振Y1用于時鐘振蕩電路, USB- HOST主機方式要求時鐘頻率比較準確,晶振Y1的頻率為12 MHz±0.4‰。振蕩電容C6、C7是可選的,根據晶振Y1的特性選擇,容量在0～22 p F[4]。

圖2 CH376模塊硬件電路圖

1.2.3 CH376軟件設計

系統利用單片機將片內A/D轉換器采集到的數據通過CH376存入U盤中需要完成三件事:

第一是要完成單片機讀寫CH376,由于CH376是以硬件并行總線的方式與單片機連接的,單片機讀寫CH376就不需要用I/O模擬時序了,確定CH376的命令端口地址和數據端口地址后,直接向命令端口地址寫入相應命令,向數據端口地址寫入相應數據即完成了寫入操作。讀操作時也只需要將命令端口或數據端口的值直接賦給一個變量,單片機讀取的狀態或數據就保存在該變量中了。

第二是操作沁恒公司提供的FILE_SYS文件系統庫,通過移植、裁減該文件系統庫,在U盤中創建一個EXCEL格式的文件ZYZ_ADC.XLS,這是系統軟件設計的核心所在。具體步驟是:首先單片機發送CMD_SET_USB_MODE命令設置CH376工作在主機模式下,然后調用FILE_SYS文件系統庫中的CH376DiskConnect函數等待U盤連接,U盤可以由CH376自動檢測并產生中斷通知,也可以由單片機定時發送命令檢測。U盤連接成功后,在進行操作之前必須由單片機發送CMD_DISK_MOUNT進行初始化,并檢測磁盤是否準備就緒,確認磁盤準備就緒后,調用文件系統庫函數CH376FileOpen,打開磁盤中已經創建好的文件,如果該文件不存在,則調用文件系統庫函數CH376FileCreate并在磁盤中創建一個新的文件,設定其參數為“/ZYZ_ADC.XLS”即完成了在U盤中創建了一個名為ZYZ_ADC.XLS的EXCEL格式文件。另外,文件創建成功后為方便向文件中添加數據,還需要將該文件移置到U盤中所有已有文件的末尾,可調用文件系統庫函數CH376ByteLocate,設定參數為0x FFFFFFFF即可移動該文件至所有文件之后。以上一切準備就緒后就可以向文件中寫入數據了,最后就是保存文件并更新文件長度,涉及到的文件庫函數是CH376Get FileSize。在U盤中創建EXCEL文件的軟件流程圖如圖3所示。

第三是向已創建的EXCEL文件中寫入A/D采集數據和時鐘芯片中的日期、時間信息。系統軟件是將EXCEL文件中的所有已采集的數據以字符形式存儲的,因此對于采集的電壓、日期、時間等二進制數據要轉換成字符串形式。另外,EXCEL文件中的數據信息是以單元格的形式存儲的,即每一次采集的數據存儲在一個單元格中,因此在調用sprintf函數時,將采集的數據信息寫入EXCEL文件時用“ ”切換單元格,比如將采集的日期、時間、單元信息分別顯示在3個不同的單元格中的函數格式為:

圖3 在U盤中創建EXCEL文件流程圖

2 系統測試結果

為了驗證上述系統能否完成將A/D采集來的海量數據信息存入U盤中創建的EXCEL文件中,選用了2 GB的金士頓U盤作為測試對象,系統上電后插上U盤,即可看到CH376模塊中USB讀寫指示燈變亮并且U盤指示燈閃爍數下,這表明U盤讀寫成功。然后,按下數據采集控制開關,可以看到U盤指示燈開始不停地閃爍,表示數據采集正在進行中,通過串口調試軟件的打印窗口如圖4所示,可以清楚地看到文件創建成功,數據寫入文件的詳細過程。

圖4 串口調試軟件打印窗口輸出信息

圖4中File size=1表示創建了一個新文件,其大小為1 K,下面即是不停地向文件中寫入日期、時間、電壓等采集信息。待系統運行一段時間后取下U盤,將U盤重新插在PC上即可在U盤中發現一個新建的名為ZYZ_ADC. XLS的文件,打開該文件,如圖5所示,可以看到系統采集到的日期、時間、電壓等采樣信息完整地存在于該文件中。

圖5 U盤中EXCEL文件中寫入的信息

結 語

本文提出的基于STC15系列單片機和CH376的實時海量數據采集系統設計方案中,由于CH376內置了文件系統,使單片機的操作更為方便,單片機只需要發送命令和數據就可以在U盤中創建文件、讀寫數據。因此開發人員用簡便的方法就可以實現利用U盤存儲A/D轉換器采集來的海量數據,該方案設計簡單而且數據存儲能力強大,能夠存儲海量數據,具有一定的實用價值。

[1]薛建彬,張超,嵇治剛.基于單片機的USB- HOST數據采集儀表設計[J].化工自動化及儀表,2013(1).

[2]宏晶電子.STC15F2K60S2手冊,2012.

[3]南京沁恒電子有限公司.CH376中文手冊[EB/OL].(2010- 09-26)[2013- 09].http://download/csdn.net/source/2720091.

[4]賈世勝,周茂迎,趙玉懷.USB接口芯片CH376在機車測速依中的應用[J].煤礦機械,2012(11).

Real-time Massive Data Acquisition System Based on STC15 and CH376

Zheng Yuzhang,Xu Aijun
(School of Electroinc&Information,Yangzte University,Jingzhou 434023,China)

A design of U disk real-time data acquisition based on STC15 platform is proposed.The system uses USB interface chip CH376 to read and write U disk,and uses the real-time clock chip DS12887 to record data acquisition time,the massive data collected are stored in EXECL files in the U disk.The experimental results show that the system can collect and store massive data,and also have the advantages of low cost,strong versatility and good mobility,so it has a certain practical value.

STC15;CH376;U disk;massive data collection

TP393

:A

楊迪娜

2013-09-11)