摘 要： 針對海表氣象參數(shù)的存儲，設(shè)計(jì)了基于AT89LV52和AT45DB041B的手持數(shù)據(jù)接收存儲器系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，給出了單片機(jī)與AT45DB041B的SPI接口電路、程序流程圖及部分程序代碼。該系統(tǒng)具有存儲容量大、數(shù)據(jù)保存非易失性等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： AT45DB041B；存儲器；手持接收系統(tǒng)；單片機(jī)
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?? 由于海表溫度、空氣濕度、氣壓等是影響蒸發(fā)波導(dǎo)的重要因素，近年來，通過蒸發(fā)波導(dǎo)來增大雷達(dá)的探測距離從而形成超視距探測，已經(jīng)逐步成為世界各國海軍密切關(guān)注的研究方向。由于蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)在海洋大氣近地層內(nèi)，受海氣交接面處微氣象條件影響與制約，因此，對海面氣象特征參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和存儲，以便分析蒸發(fā)波導(dǎo)模型，從而利用蒸發(fā)波導(dǎo)模型來預(yù)報(bào)波導(dǎo)高度等特征量以及繪制修正折射指數(shù)剖面顯得十分重要。鑒于艦船長期在海面工作，針對目前手持接收設(shè)備自身存儲容量過小，無法滿足大量數(shù)據(jù)采集的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于ATMEL公司生產(chǎn)的大容量Flash存儲器AT45DB041B的手持?jǐn)?shù)據(jù)接收系統(tǒng)，通過無線數(shù)傳的方式將前端采集的各種氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行接收存儲和顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于復(fù)雜海洋環(huán)境下數(shù)據(jù)的接收和存儲，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
手持?jǐn)?shù)據(jù)接收存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由AT89LV52單片機(jī)、AT45DB041B存儲器、GPS模塊、OLED顯示模塊以及鍵盤電路等組成。
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能需求，手持?jǐn)?shù)據(jù)接收存儲系統(tǒng)各模塊之間的關(guān)系與功能定義如下：
(1)主控單元采用AT89LV52單片機(jī)，工作電壓為2.7～6.0 V，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。因?yàn)槠溥\(yùn)算效率高、功耗低、接口符合設(shè)計(jì)要求。
(2)數(shù)據(jù)存儲模塊具有4 MB的串口Flash DATA，是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。主要用于接收和保存采集到的氣象數(shù)據(jù)，最后通過CH375芯片轉(zhuǎn)存到U盤。其體積小、容量大、耗電省、接口簡單，特別是在移動(dòng)式智能化儀表中，可保存大量測量數(shù)據(jù)，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
??? (3)鍵盤模塊采用44矩陣式鍵盤，采用逐行掃描的方法。主要用于命令的下達(dá)和狀態(tài)的設(shè)定，通過鍵盤輸入可以切換OLED屏的顯示模式，設(shè)置無線數(shù)傳的工作方式，選擇所要采集信號的類型等。同時(shí)具體在每個(gè)按鍵上設(shè)置一鍵多能的功能，使手持設(shè)備可以有選擇地接收和存儲數(shù)據(jù)。
??? (4)顯示部分采用128×64行點(diǎn)陣OLED，單色、字符、圖形形式模塊。主要用來顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)、系統(tǒng)時(shí)間以及鍵盤輸入的數(shù)據(jù)等，以方便工作人員進(jìn)行相應(yīng)的操作。其厚度薄、重量輕、功耗低、具有良好的抗震性，適合于海上作業(yè)。
(5)GPS模塊采用Holoux公司生產(chǎn)的基于Sirf3的高性能模塊，主要用來對海上作業(yè)船只進(jìn)行經(jīng)緯度定位和提供系統(tǒng)時(shí)間校正。
(6)數(shù)據(jù)采集模塊由前端氣象采集傳感器和無線數(shù)傳單元組成，通過多點(diǎn)-點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)與手持設(shè)備之間的通信。
(7)由于數(shù)據(jù)接收器為手持設(shè)備，且要滿足長時(shí)間海上作業(yè)的要求，所以選用2節(jié)5號電池供電，以最大限度地延長操作時(shí)間。
2 硬件電路
2.1 AT45DB041B
AT45DB041B是ATMEL公司生產(chǎn)的AT45DB系列Flash存儲器中的一種，共有8個(gè)引腳，其引腳功能如表1所示，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。該存儲器主要由主存儲器(Flash memory array)和2個(gè)264 B的緩存(buffer1和buffer2)構(gòu)成，其中主存儲器容量為4 MB，共分為2 048頁，每頁容量為264 B，每8頁構(gòu)成1個(gè)塊，共256塊，主存儲區(qū)支持頁擦除和塊擦除操作；緩存讀寫方便迅速，但掉電數(shù)據(jù)會(huì)丟失，可以用作主存與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的緩沖區(qū)域；當(dāng)通過一個(gè)緩存器對主存儲區(qū)進(jìn)行編程時(shí)，另一個(gè)緩存器仍能進(jìn)行數(shù)據(jù)接收或者發(fā)送，實(shí)現(xiàn)虛擬的連續(xù)數(shù)據(jù)的存儲。AT45DB041B通過SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，使得硬件結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)。
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2.2 AT45DB041B與單片機(jī)接口電路
??? 對于內(nèi)部有SPI接口的單片機(jī)，直接使用其SPI接口與AT45DB041B相連接即可；而內(nèi)部沒有SPI接口的單片機(jī)如MCS-51系列，可以利用通常的I/O口，用軟件接口模擬實(shí)現(xiàn)SPI接口與AT45DB041B相連接。以下簡要介紹以89LV52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的AT45DB041B的接口，其硬件電路如圖3所示。這里使用89LV52的P2.3、P2.2、P2.1、P2.0分別作為AT45DB041B的SO、SI、SCK、/CS。一般情況下，可以將AT45DB041B的/WP接高電平。如對保存數(shù)據(jù)的保護(hù)要求非常高，可以另外使用單片機(jī)的1根I/O線驅(qū)動(dòng)AAT45DB041B的WP 引腳，這樣只有在將/WP拉為低的情況下才能對AT45DB041B進(jìn)行寫入，更進(jìn)一步提高了對數(shù)據(jù)的保護(hù)。
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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)軟件采用C51語言編寫，由主程序模塊、無線數(shù)傳控制模塊、數(shù)據(jù)存取模塊、GPS通信模塊、顯示模塊、鍵盤處理模塊等組成。各模塊均按結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得軟件易于調(diào)試、維護(hù)和移植，具有較強(qiáng)的通用性。
單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊的工作。在系統(tǒng)啟動(dòng)以后，單片機(jī)的主要工作有：系統(tǒng)初始化、GPS定位、通過無線數(shù)傳模塊控制前端氣象數(shù)據(jù)采集傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)寫入Flash芯片、控制OLED顯示等。另外，由于本系統(tǒng)功能較多，為節(jié)省硬件開銷，在4×4鍵盤掃描的基礎(chǔ)上采用一鍵多能的鍵盤管理。
3.2 AT45DB041B讀寫子程序
在本手持?jǐn)?shù)據(jù)接收存儲器裝置中，AT45DB041B用于保存監(jiān)測的歷史氣象數(shù)據(jù)和相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，該數(shù)據(jù)包括溫度、經(jīng)緯度以及相關(guān)的時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分)等信息，每保存1次數(shù)據(jù)需占用36 B，數(shù)據(jù)從主存儲器的第0頁開始依次往高位地址保存。同時(shí)該系統(tǒng)還具有歷史數(shù)據(jù)的回放和轉(zhuǎn)存功能，在測量現(xiàn)場可在OLED上查看所接收的不同時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)，也可以通過CH375芯片轉(zhuǎn)存到U盤，這2個(gè)過程都需要從AT45DB041B中讀取數(shù)據(jù)。
下面主要對AT45DB041B的數(shù)據(jù)讀寫作簡要介紹，AT45DB041的具體數(shù)據(jù)讀寫操作如圖4所示。
AT45DB041B的操作方式有21種，其具體的指令和讀寫操作已有不少介紹，本文只重點(diǎn)介紹在編寫程序中感覺比較難理解和容易出錯(cuò)的地方，這也是編寫正確接口程序的關(guān)鍵點(diǎn)。
AT45DB041B的操作指令可以分為三大類：從主存和緩存讀數(shù)據(jù)、往主存和緩存寫數(shù)據(jù)、主存和緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸和比較。根據(jù)筆者在實(shí)際中的應(yīng)用體會(huì)，以下幾點(diǎn)需要注意：
(1)單片機(jī)在通過SI、SO引腳與AT45DB041B通信期間必須保持/CS為低電平，但涉及到芯片內(nèi)部的操作(如主存與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸和比較、頁的擦除和塊擦除等)，則是在芯片內(nèi)部自帶的時(shí)序電路控制下完成的，不需要單片機(jī)控制。另外，由于這些操作需要相對較長的時(shí)間，在程序中有必要加入延時(shí)程序。
(2)單片機(jī)可直接從AT45DB041B主存頁的某個(gè)單元讀數(shù)據(jù)，但不能直接往某個(gè)單元寫數(shù)據(jù)，此時(shí)若要向主存寫數(shù)據(jù)有2種方法：①先將數(shù)據(jù)寫入緩存，然后采用自帶擦除方式將緩存中的數(shù)據(jù)寫入主存；②直接通過緩存將數(shù)據(jù)寫入主存，該操作實(shí)際是將第1種方法的2步合并成1步(即往主存寫數(shù)據(jù)必須借助于緩存來完成)。
(3)由于目前許多單片機(jī)并沒有集成SPI總線接口，但并非兩者之間就不能通信，可以采用單片機(jī)的I/O口結(jié)合軟件的方法來模擬SPI時(shí)序，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。本文正是基于上述思路和方法成功地實(shí)現(xiàn)了該存儲器與89LV52單片機(jī)(該單片機(jī)內(nèi)部不帶SPI接口)之間的通信。
3.3 SPI總線模擬
??? 本文只對比較難以理解的軟件模擬SPI時(shí)序進(jìn)行簡要介紹，并給出相關(guān)的C51程序代碼。其他相關(guān)操作模式的函數(shù)，限于篇幅，本文不再贅述。
??? (1)從SPI上讀1個(gè)字節(jié)
??? uchar Flash_RByte(void)
??? {
????? uchar temp=0；
????? uchar i；
????? for(i=0；i<8；i++)
????? {
????????? Flash_CLK=0；
????????? _nop_()；
????????? Flash_CLK=1；
????????? temp=temp<<1；
????????? if(Flash_SO==1)
????????? {temp=temp+1；}
?????? }
??? return(temp)；
??? (2)向SPI上寫1個(gè)字節(jié)
??? uchar Flash_WByte(uchar temp)
??? {
????? uchar i；
????? for(i=0；i<8；i++)
????? {
????????? if(temp<
????????? else
????????? { Flash_SI=0；}
??? Flash_CLK=0；
????????? _nop_()；
????????? Flash_CLK=1；
????? }
??? }
??? 在利用軟件編程模擬SPI總線的過程中，應(yīng)重點(diǎn)注意AT45DB041B的時(shí)序問題。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)使用中的具體需要，建立自己的讀寫子函數(shù)庫，以方便實(shí)際開發(fā)應(yīng)用。
??? 本文利用單片機(jī)普通I/O口模擬SPI接口實(shí)現(xiàn)了AT45DB041B和AT89LV52之間的通信，并在所設(shè)計(jì)的裝置中得到了成功地應(yīng)用，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。AT45DB041B串行Flash存儲芯片在實(shí)際應(yīng)用中效果好，編程比較簡單，與其他一些Flash存儲芯片相比，AT45DB041B突出特點(diǎn)是電路簡單、價(jià)格低、存儲容量大、占用系統(tǒng)資源少。構(gòu)建基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)應(yīng)用框架，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理、超視距雷達(dá)探測距離的研究提供了可行方案，能夠符合部隊(duì)雷達(dá)裝備發(fā)展的實(shí)際需要。
參考文獻(xiàn)
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