一種基于STC15的U盤(pán)實(shí)時(shí)海量數據采集系統設計

摘要：設計了一種基于STC15單片機的U盤(pán)實(shí)時(shí)海量數據采集系統。該系統利用USB接口芯片CH376時(shí)U盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1 2887實(shí)時(shí)采集記錄數據的時(shí)間，將采集到的海量數據以EXCEL文件形式存儲在U盤(pán)中。實(shí)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(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

引言

在工業(yè)數據采集中，數據的存儲擔負著(zhù)記錄系統運行狀態(tài)的責任，基于單片機的數據采集儀表以其成本低廉、操作簡(jiǎn)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(yōu)勢提出了一種基于STC15系列單片機和CH376的U盤(pán)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(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)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(pán)中，操作者可以方便地利用PC機對采集到的數據進(jìn)行分析和處理。

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(guò)擴展外同接口而使其以低成本的優(yōu)勢滿(mǎn)足大容量數據采集存儲的要求。被測信號經(jīng)過(guò)前端調理電路的放大與濾波處理后進(jìn)入單片機的片內A/D轉換模塊，此時(shí)采樣數據存儲于單片機內部開(kāi)辟的緩沖數組中，當緩沖區滿(mǎn)后通過(guò)控制CH376向U盤(pán)寫(xiě)入采樣數據，并同時(shí)將DS12887內的時(shí)間信息寫(xiě)入文件中。

1.1 STC15F2K60S2單片機簡(jiǎn)介

STC15F2K60S2系列單片機是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)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(shù)，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(shí)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(yè)控制領(lǐng)域。

1.2 CH376模塊設計

1.2.1 USB接口芯片CH376簡(jiǎn)介

CH376是南京沁恒公司推出的一款U盤(pán)和SD卡文件管理控制芯片，用于單片機或嵌入式系統讀寫(xiě)U盤(pán)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(xié)議的基本固件，內置了處理海量存儲Mass-Storage設備的專(zhuān)用通信協(xié)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(pán)/USB硬盤(pán)/USB閃存盤(pán)/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(xié)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(guò)上述任何一種通信接口控制CH376芯片，存取U盤(pán)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-Dev ice控制器、SD卡SPI-Host控制器、被動(dòng)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(diǎn)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(dòng)態(tài)切換主機方式與設備方式;

③內置USB通信協(xié)議的基本固件處理海量存儲Mass-Storage設備的專(zhuān)用通信協(xié)議固件，SD卡的通信接口固件以及FAT16/FAT32和FAT12文件系統的管理固件;

④提供文件管理功能、文件讀寫(xiě)功能和磁盤(pán)管理功能;

⑤提供2 MB速度的8位被動(dòng)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。

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(xiàn)8位并口連接方式，這樣無(wú)需用I/O模擬CH376讀寫(xiě)時(shí)序，簡(jiǎn)化了軟件的設計。CH376芯片通過(guò)8位被動(dòng)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(xiàn)上，其中D7～D0連接STC15F2K60S2的數據總線(xiàn)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(lái)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BDF1H，數據寄存器的地址可選為BCF0H。

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(diǎn)退耦，C1是容量為4 700 pF～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(shí)鐘振蕩電路，USB—HOST主機方式要求時(shí)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 pF。

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(guò)CH376存入U盤(pán)中需要完成三件事：

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