基于ATmega128的U盤高速數據記錄儀的設計

王 龍，聶強廣

隨著科技的進步，工業應用中數據采集技術標準要求的提高，數據采集的增多，數據記錄儀的設計必須考慮存儲設備的存儲容量、速度、質量、便攜性及工業應用環境等因素［1］.

本設計構成的模塊有:主控處理器、數據通信模塊、flash讀取模塊、U盤讀取模塊、電源管理模塊，具體構成如圖1所示.

圖1 整體框架圖

首先ATmega128主控芯片將外部接收到的數據，緩存到大容量flash中，再從flash中將緩存的數據讀出，借助U盤控制芯片CH376s將數據存入U盤中.其采用flash作為前級數據緩存的目的，是實現數據寫入的速率與flash的存儲速率的匹配，不會因為數據在采集時受U盤存儲數據的速率限制，達成數據采集與存儲的最佳效果.本設計有以下優點.

（1）將U盤應用于高速數據記錄儀，U盤高速數據記錄儀因避免了操作系統容易崩潰的問題而具有更高的可靠性，操作簡單方便且成本低廉.

（2）采用flash作為前級數據緩存的目的是實現數據在采集存儲時寫入的速率與flash的存儲速率完成有效的匹配，避免數據在采集存儲時受到U盤存儲數據速率的限制，完成數據采集與存儲的最佳效果.

由U盤構成的數據儲存記錄儀，實現了快速實時數據采集，能在單片機的控制下快速將數據存儲到大容量U盤中，并且能脫離計算機控制實現數據存儲，滿足了在特殊條件下使用USB接口傳輸存儲數據.本設計可面向海量數據采集存儲、設備黑匣子、考勤機數據記錄、水文監測、無紙記錄儀及自動化生產線等應用場合.例如在原始生態自然保護區，需要記錄某段時間內的降雨量或者是實時溫度變化情況，就可以通過雨量計量儀或者溫度測量儀檢測出相應數據，再結合數據存儲器實時準確記錄數據，為生態環境研究提供可靠的數據［2］.

1 flash電路模塊設計

flash芯片型號是W25Q128BV，容量有128M-bit，工作電壓2.7～3.6V，最大工作頻率100MHz［3］，可以通過串行方式，將代碼映射到RAM中，再通過spi控制方式來調控代碼和實現聲音、文本、數據的存儲.W25Q128BV主要采用四條數據總線即CLK、/CS、DI、DO，他們分別對應片選信號、數據輸入端、數據輸出端、時鐘控制信號，spi特點就是在發送每個數據的同時也會接收到對方一個字節的數據.

本設計中flash芯片W25Q128BV采用spi通信操作方式.spi控制方式主要有四條數據控制線，即MISO、MOSI、SCLK三條主要的數據線，另外一條是片選線CS，它主要控制spi接口的主從方式，當設置為0時即為從設備，設置1也就是主設備.主從選擇非常方便，只需控制CS信號線的高低電平便可以快速選擇主從設備.

單片機與flash連接如圖2所示，CLK連接PB5、/CS連接PB4、DO連接PB6、DI連接PB7，程序配置流程，配置引腳使能，spi時鐘，系統IO口初始化，進入spi初始化，判斷指定的spi標志位是否已經設置好，讀取發送緩存的空標志位，判斷是否配置好spi緩存標志.

圖2 單片機與flash連接

2 U盤讀取模塊設計

2.1 CH376使用分析

驅動CH376s步驟.

配置頭文件，這其中有Atmega128相應的頭文件及CH376應用層和硬件層、文件系統層頭文件，例如#include、#include等.設置緩存區BUFFFER，其中buf根據需要設置為64，設置串口調試信息，配置硬件的波特率.

初始化后應答正常就進入中斷，中斷函數是CH376DiskConnect，等待U盤插入，緊接著檢查U盤相關信息，比如U盤的容量，接著創建文本文檔，通過串口返回監測結果，初始化成功后，進入接收數據狀態.

2.2 CH376s的UART通信方式

異步串口通訊方式主要包括:數據讀RXD和串行數據輸出引腳TXD.

CH376使用的串行數據傳輸格式采用字節傳輸方式，包含1位起始位和8位數據位及1位停止標志位［4］.默認設置的波特率是 9600bp，如果要修改波特率需要修改函數CMD_SET_BAUDRATE.

通訊過程中，分為兩個階段，即發送命令階段和命令應答階段.其中發送命令也就是使用者向寫入器（串口rs-233）提出操作申請和數據應答，命令應答是寫入器向用戶命令返回的響應.

軟件接口功能.首先檢測U盤的狀態（如插入，拔出），創建文件和目錄（支持長文件名文件和目錄），打開一個已經創建的文件和目錄（支持長文件名文件和目錄），從文件中讀取指定長度和指定位置的數據（支持長文件名文件和目錄）.

寫數據到指定文件的指定地址（支持長文件名文件和目錄），列舉目錄下的文件和目錄（支持長文件名文件和目錄），刪除文件和目錄（支持長文件名文件和目錄），查詢U盤容量.

2.3 CH376模塊電路設計

CH376的通信方式是異步串行通信UART，其中包含:RXD為串行數據輸入，TXD為數據輸出［5］.采用這種通信方式的優勢是減少與單片機的連線.CH376s在通信中的數據格式屬于標準的字節傳輸模式，一位啟始位，八位數據位，一位停止位.CH376能夠適應硬件設定的串行通訊波特率，當然也可以修改函數CMD_SET_BAUDRATE以匹配單片機的波特率.每次上電復位后，CH376s的波特率取決于BZ和SCK和SDI三個引腳的電平組合，與單片機的連線如圖3所示.

圖3 ch376模塊電路圖

3 串口通信模塊設計

數據采集是通過rs232標準串口通信，用串口軟件將數據發送給單片機，再通過單片機spi傳輸方式傳輸給flash，進行緩存.atmega128將flash緩存數據讀取出來，通過uart通信將數據存入U盤.數據采取通過RS-232數據線與電腦的串口調試助手進行通信，從而達到模擬數據采集，當數據存入U盤后會返還一個代碼14給單片機，告知它一次數據存入完成，也會通過串口調試助手進行顯示，便于監測.

在單片機中TXD、RXD是TTL電平，要將接收的信號轉成TTL電平，必須借助max323芯片來實現，將USB數據信號換成TTL電平數據，或將TTL電平轉換成USB信號，數據發送以100ms為周期，進行自動數據傳輸，便于直觀監測.電平轉換電路如圖4所示.

圖4 電平轉換電路

4 軟件程序設計

4.1 系統程序流程圖

主程序流程如圖5所示.主程序首先對定時器、I/O口資源、wrd128flash、CH376s、串口通信等進行初始化.初始化后應答正常就進入中斷，中斷函數是CH376DiskConnect，等待U盤插入，緊接著檢查U盤相關信息，比如U盤的容量，接著創建文本文檔，通過串口返回監測結果，初始化成功后，寫數據到緩沖區，讀緩沖區數據到寫入U盤.

圖5 主程序流程圖

數據采集最先在flash中緩存，其中flash中是以數組形式進行存儲，數據分為一位空閑檢測位、一位地址位、八位數據位.主要采用的讀取方式是spi，讀取寄存器sprd.

將flash數據轉存到U盤中，采用異步串行通信數據幀格式傳輸，數據幀是一位數據起始位、八位數據位、一位校驗位和一位停止位.

4.2 CH376程序結構分析

主程序除了對所用到的外設資源進行初始化之外還調用了3個子程序，分別是模擬數據傳感器的數據讀寫程序、flash暫存讀取程序、對CH376s數據處理程序.CH376工作流程圖如圖6所示，初始化成功后，進入接收數據狀態.首先檢測U盤的狀態（如插入，拔出），創建文件和目錄，打開一個已經創建的文件和目錄，從文件中讀取指定長度和指定位置的數據，最后等待設備的移除.

圖6 CH376工作流程圖

5 測試與檢驗

5.1 數據采集測試與檢驗

串口助手調試如圖7所示，開機上電，自檢初始化，返回U盤信息狀態，返回指令字符14，初始化成功，通過串口通信發送數據給單片機，波特率為9600bps，自動寫數據周期為1000ms，模擬數據發送，每次數據寫入成功會返回字符代碼14，并自動換行.

圖7 串口助手調試

5.2 數據存取測試與檢驗

借助串口調試助手XCOM V1.4進行調試，需要安裝串口驅動程序和CH340串口驅動，連接硬件打開串口，波特率設置9600bps，CH376模塊指示燈亮燈，表明連接正常，串口助手與單片機握手，進行U盤數據信息讀取，并且在U盤中創建一個txt文件用于存儲數據.一切正常時會返回初始化成功的命令，并通過串口助手進行顯示，這時就能進行模擬數據采集了.

利用串口軟件將數據發送給單片機，單片機接收到數據后通過spi傳輸方式傳給flash進行緩存.atmega128將flash緩存中的數據讀取出來，然后通過uart通信將數據存入U盤.數據采集是通過RS-232數據線與電腦的串口調試助手進行通信，從而達到模擬數據采集，當數據存入U盤后會返還代碼14給單片機告知它一次數據存入完成，也會通過串口調試助手進行顯示，能直觀地看到一次數據傳輸的實現和完成，還可以通過電腦訪問U盤中存儲的數據，圖8就是U盤中接收的數據，存儲在一個txt文件中.

圖8 數據存儲效果圖