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1 引言 C805lF系列單片機(jī)是Cygnal公司完全集成的混合信號系統(tǒng)級器件(SOC)，其CIP一51內(nèi)核運(yùn)行速度高達(dá)25 MI/s，除具有標(biāo)準(zhǔn)805l的數(shù)字外設(shè)外，其內(nèi)部還集成有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等元件，豐富的外設(shè)資源及高速指令運(yùn)算能力大大簡化系統(tǒng)設(shè)計。為此，給出了基于C8051F060單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計方案，可實現(xiàn)外場試驗中彈載振動傳感器輸出的3路振動信號的采集和存儲，并將存儲的數(shù)據(jù)通過串行接口上傳至地面測試臺，最終上傳到上位機(jī)，從而實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的回放和分析。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 圖1給出系統(tǒng)整體框圖，整個系統(tǒng)是由記錄器，地面測試臺，上位機(jī)及配套軟件組成。其中，記錄器包括電源模塊，信號調(diào)理模塊及采編存儲模塊，而電源模塊可向記錄器的各模塊提供所需電源，信號調(diào)理模塊用于濾波、調(diào)幅3路振動信號，采編存儲模塊用于采集、編幀和存儲3路信號。系統(tǒng)存儲選用SAMSUNG的NAND Flash K9K8G08UOM器件，而主控器件選用C8051F060。該主控器件除指令執(zhí)行速度快，I／0端口配置靈活和在線調(diào)試功能外，還具有以下特點：①內(nèi)部集成10位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率可達(dá)200 KS／s，無需外接專用A/D轉(zhuǎn)換器，降低成本，簡化電路設(shè)計；②UARTI為增強(qiáng)型波特率發(fā)生器，最高波特率達(dá)系統(tǒng)時鐘頻率的1／2，可實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳。該系統(tǒng)采用14．745 6MHz的晶體振蕩器，最高通信波特率為7．372 8 Mb／s。③豐富的定時器資源，C805lF060內(nèi)部具有5個定時/計數(shù)器，滿足系統(tǒng)要求。④C805lF060內(nèi)部4 K字節(jié)的XRAM可作為數(shù)據(jù)緩存。圖2給出采編存儲模塊的結(jié)構(gòu)框圖，具體電路連接圖如圖3所示。 地面測試臺主要完成外場試驗環(huán)境各項參數(shù)的模擬生成以及在記錄器回收后數(shù)據(jù)上傳，與記錄器的通信采用串口通信方式。上位機(jī)通過USB接口控制地面測試臺完成對記錄器的測試及記錄器回收讀數(shù)后的數(shù)據(jù)分析。從而該系統(tǒng)設(shè)計可滿足：振動傳感器輸出幅值為0～5 V的3路電壓信號；A／D轉(zhuǎn)換器分辨率為10 bit；采集速率每路為5 KS／s，分時采集，存儲容量為1 G字節(jié)；實現(xiàn)循環(huán)記錄方式，系統(tǒng)上電后，當(dāng)接收到一組特定串行數(shù)據(jù)后便開始記錄，掉電后停止記錄，其串行數(shù)據(jù)的波特率為921．6 Kb／s。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3．1 開啟采集方式 記錄器上電初始化后，在1 s內(nèi)循環(huán)判斷串口0是否接收到一組數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，就進(jìn)入寫狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)去判斷讀信號是否有效。如果有效則進(jìn)入讀狀態(tài)，將數(shù)據(jù)從Flash中讀出并通過串口l發(fā)送，否則返回再判斷串口0是否接收到數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。其總體流程如圖4所示。 在寫狀態(tài)時，A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的拾取通過中斷函數(shù)完成，系統(tǒng)主程序能夠輪流從兩塊RAM中讀取數(shù)據(jù)并順序?qū)懭隖lash中。為了便于上位機(jī)軟件分析，在存儲前需要對A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，加入幀標(biāo)志和時間信息。具體實現(xiàn)方法是：先將A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部RAM中，為滿足Flash頁編程的時間，利用雙RAM實現(xiàn)乒乓緩存，將內(nèi)部4 KB的XRAM分為2塊，每塊容量為2 048個字節(jié)，每塊寫滿后分別置滿標(biāo)志，當(dāng)CPU讀取該RAM中所有數(shù)據(jù)并寫入Flash后清除該RAM滿標(biāo)志，2塊RAM交替進(jìn)行，保證數(shù)據(jù)的讀寫操作。在采集狀態(tài)下寫Flash的流程圖如圖5所示。 3．2 編幀 為了快速提取數(shù)據(jù)，需在數(shù)據(jù)存儲前對其編幀，3路信號總采樣速率為15 KS／s，具體編幀格式如表1所列。 這樣編幀后方便了上位機(jī)軟件分析，可以方便提取所關(guān)心的信息，在軟件繪出振動數(shù)據(jù)波形圖后通過時間軸信息可快速定位到需要查找的區(qū)域。 3．3 內(nèi)部XRAM操作 通過定義數(shù)組實現(xiàn)內(nèi)部XRAM操作，數(shù)組定義方法為：unsigned char xdata s[4096]，xdata標(biāo)識符指定s的存儲區(qū)為外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由于該數(shù)組只需4KB空間且系統(tǒng)中未使用外擴(kuò)XRAM，所以必須設(shè)置存儲器模式為只使用內(nèi)部XRAM，即設(shè)置EMIOCF[3：2]為00。 3．4 定時器應(yīng)用 單片機(jī)內(nèi)部5個定時/計數(shù)器在該系統(tǒng)分別用于：TO產(chǎn)生1 s的循環(huán)定時；T1產(chǎn)生UARTl的波特率(7．372 8 Mb／s)；T2產(chǎn)生UARTO的波特率(921．6 Kb／s)；T3產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器2的轉(zhuǎn)換時鐘。T4產(chǎn)生時間基準(zhǔn)，用于數(shù)據(jù)編幀。 以下為A／D轉(zhuǎn)換器2的初始化程序代碼： 值得注意的是：由于C8051F060采用分頁機(jī)制，對每個寄存器操作前必須先將SFRPAGE指向相應(yīng)的特殊功能寄存器頁，否則操作無效，而在中斷發(fā)生時SFR頁會自動切換到中斷標(biāo)志位所在頁，使得軟件無需對SFR頁進(jìn)行保護(hù)操作，降低程序消耗。 4 測試試驗 該記錄器在正式上彈前已經(jīng)過兩次炮擊試驗．炮擊試驗情況如表2所示。 兩次炮擊試驗均是考核整個記錄器的外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部電路板的抗過載能力，試驗后電路板正常無損壞。而外部晶體振蕩器損壞，因此，該系統(tǒng)采用C8051F系列單片機(jī)，由于其內(nèi)部集成可編程內(nèi)部晶體振蕩器，在記錄器回收后讀取數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)可自動將時鐘切換至內(nèi)部晶體振蕩器模式，這樣避免回收后重新更換晶體振蕩器。 C8051F系列單片機(jī)可靈活配置系統(tǒng)各功能模塊時鐘，例如：系統(tǒng)使用內(nèi)部晶體振蕩器，定時器和PCA等外部晶體振蕩器，可改變內(nèi)部晶體的頻率，也可禁止，只使用外部晶體振蕩器，只要內(nèi)部晶體振蕩器和外部晶體振蕩器配置正確，系統(tǒng)可在任何時刻在兩者之間迅速切換。值得注意的是：晶體振蕩電路對PCB布局和外部噪聲非常敏感，應(yīng)將晶體振蕩器盡可能地靠近XTAL引腳放置，布線應(yīng)盡可能地短并用地平面屏蔽，以防止其他引線引入噪聲或干擾；每個電源引腳處放置0．1μF和1μF的去耦電容，且盡可能地靠近該單片機(jī)放置，而未使用的模擬輸入應(yīng)接地(模擬地)。 5 結(jié)語 該設(shè)計的采編存儲系統(tǒng)具有體積小、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點，經(jīng)實驗證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場采集分析的要求。 |
