基于單片機的大容量靜態(tài)存儲器接口設計

摘要：為解決采集系統(tǒng)中大量數據存儲及數據傳輸問題，對數據采集系統(tǒng)中基于單片機大容量靜態(tài)存儲器的應用進行了刨析。閃速存儲器采用Atmel公司的AT29C040，對系統(tǒng)的總體設計思想及閃速存儲器的特點做了闡述。給出了基于8位單片機進行4 Mb高速存儲器擴展的具體接口電路及其驅動程序。該系統(tǒng)具有在掉電情況下保存數據的功能，且具有存儲數據容量大，體積小，功耗低，數據保存安全可靠等特點，適合于便攜式流動性環(huán)境下的數據采集系統(tǒng)。
關鍵詞：單片機；靜態(tài)存儲器；接口；數據采集

0 引言
隨著信息技術的發(fā)展，在工業(yè)應用領域中需要采集存儲的信息越來越多，相應地使用了各種數據采集裝置，以獲得被研究對象的相關信息。有時為了節(jié)約時間和計算機資源，一般并不是在當地立即處理這些信息數據，而是將數據傳向后臺由后臺計算機進行處理、分析。它們之間的數據傳輸媒介有有線傳輸、無線傳輸和硬盤等幾種型式。當采集現場條件不允許時，比如地形復雜且離后臺距離較遠，有線、無線傳輸均不適用。此外，有時周圍環(huán)境會出現高濕度、高粉塵的惡劣情況，在這種條件下硬盤驅動器就難以可靠工作。為了滿足實際生產中在特定條件下數據采集系統(tǒng)的要求，通過長時間的研究，設計出一種基于單片機超大容量存儲器。該存儲器容量可達4 Mb，基本可以滿足復雜環(huán)
境下信息采集存儲的需要。

1 系統(tǒng)設計
基于單片機存儲器存取數據的整體結構框圖如圖1所示。


圖1中單片機是控制核心，存儲器是控制對象，所有電路均為二者服務。由于存儲器是4 Mb的，單片機的地址線已經不夠用了，為了進行擴展，加入地址擴展電路。為了加快存儲器中的數據導入計算機，特加入了并機接口電路。譯碼電路是為了增加I／O的口數量。
1．1 中央處理器(CPU)
采用W78E516B單片機，內部包含有：64 kBE2PROM，可省去最小系統(tǒng)，節(jié)省了并行口。
1．2 存儲器
靜態(tài)存儲器的核心是存儲器芯片，國內市場有2種類型：
(1)芯片內部有自帶電池的NVRAM。
(2)自己設計掉電保護電路使用普通的SRAM，DRAM。閃速存儲器是一種非易失性存儲器，即使切斷供電電源以后也能保持所存儲的數據，在不加電的情況下存儲在內的信息可長達lO年之久。閃速存儲器可以隨機尋址、訪問時間很短，能抵抗強烈的碰撞，具有很強的環(huán)境適應性，可靠性好，平均無故障時間可達數百萬小時。因此可以取代硬盤用于可移動設備、工業(yè)電子產品領域及惡劣環(huán)境中，其性能價格比很好。系統(tǒng)選用Atmel公司生產的閃速存儲AT29C040芯片，它是國外新一代產品，容量可達4 Mb，采用分頁管理方式，這種芯片的讀／寫與一般RAM有所不同。對芯片的基本操作如下：
讀：當CE和OE為低，WE為高時，由地址決定的存儲器單元將數據輸出；當CE或OE為高時，輸出為高阻態(tài)。這種雙線控制為設計者防止總線爭用提供了靈活性。
字節(jié)裝入：用于輸入要編程的128 B(一個扇區(qū))數據或保護數據軟件代碼。當OE為高時，對WE加一負脈沖同時CE為低，或對CE加負脈沖同時WE為低時，將地址在CE或WE首先下降的一個下降沿鎖定，數據由CE和WE首先上升的上升沿鎖定。
編程：芯片編程以扇區(qū)為單位。如果要改變扇區(qū)中的一個數據，扇區(qū)中所有的數據都要重新裝入芯片，扇區(qū)中所有沒有裝入的字節(jié)在編程中都將被擦寫為FFH。一旦一個扇區(qū)中的所有字節(jié)都裝入芯片，芯片立即在編程周期中對其進行編程，在第一個字節(jié)裝入后，后續(xù)字節(jié)以同樣方式裝入。每一個新裝入字節(jié)的WE由高到低的跳變必須在前一個字節(jié)WE信號由低變高的150μs以內。如果在上個裝入字節(jié)后150μs內沒有檢測到WE由高向低跳變，裝入周期終止，內部編程周期開始。A7～A16確定扇區(qū)地址，在WE由高到低的變化中必須有效，A0～A6確定扇區(qū)內的字節(jié)地址，裝入字節(jié)可以任意次序，不必順序裝入。
軟件數據保護：在AT29C04O中應用了軟件控制保護數據的功能，一旦對芯片使用軟件保護，則在芯片編程之前必須按一定算法進行操作。軟件保護可以由用戶啟動或停止。啟動軟件保護由一組3個編程命令組成，對特定地址送特定數據。啟動軟件保護以后每次對芯片編程都必須在編程周期前送相同的3個編程命令。一旦啟動軟件保護，它將一直保持直到執(zhí)行停止命令，上電掉電不能改變軟件保護的狀態(tài)。因此在電源變化期間，為防止誤編程，啟動保護后，沒有3 B命令的寫操作無效，但在twc期間，讀操作為有效操作。
硬件數據保護：AT29C040硬件防止誤編程通過以下途徑：
如果電源電壓低于3．8 V，禁止編程；
電源電壓上電到達3．8 V以上后，芯片自動延時5 ms后才開始編程；
OE為低或CE為高或WE為高禁止編程周期；
如果WE或CE是小于15 ns的脈沖則不會啟動編程周期。
1．3 接口電路設計
通過上述分析，設計大容量存儲器的接口電路如圖2所示。


該接口電路圖為實際工程應用中的剪切圖，其中單片機采用的是華邦W78E516B，由于8位單片機I／O口數量有限，在工程應用中一般不能滿足要求(圖中沒連線的I／O口已被用作其他用途)，因此采用74LS138進行了擴展。由于29C040為4 Mb的容量，所以單片機的16位數據線已不能滿足要求，為了進行大容量存儲器的擴展，采用8255來擴展存儲器的地址線及訪問的范圍00000～7FFFF。在此基礎上，可以設計存儲容量從4 Mb到數Gb的存儲器。