MCS-51系列單片機實現遙測數據存儲系統(tǒng)的設計

1、【Word版本下載可任意編輯】 MCS-51系列單片機實現遙測數據存儲系統(tǒng)的設計 隨著遙測技術的發(fā)展，被測參數迅速增加，數據傳輸速率越來越高，對系統(tǒng)的存儲容量、體積、造價、穩(wěn)定性等都提出了更*求。為了實現較高的傳輸速率和較大的數據量，往往采用多處理機并行處理、傳輸和并行記錄技術。但這類系統(tǒng)對工作環(huán)境要求較高，加之體積大、占用系統(tǒng)機時等缺點，很難適用于受空間限制的特殊環(huán)境。因此，研制性能可靠、體積小、造價低的數據存儲系統(tǒng)是十分必要的。近年來作為數據存儲媒介的硬盤，以其容量大、接口智能化程度高、控制方便越來越受到人們的重視。充分發(fā)揮硬盤的優(yōu)勢，脫離系統(tǒng)主機，可為用戶開發(fā)速度高、存儲量大、性能可靠的

2、遙測數據存儲系統(tǒng)。 基于上述原因，本文提出了采用單片機控制硬盤對遙測數據開展實時存儲的方案，對數千秒遙測數據開展實時無丟失存儲，其 優(yōu)點是不占用系統(tǒng)機時。本系統(tǒng)的特點： 采用PIO模式開展塊操作的寫盤方法，從而大大提高了硬盤的寫盤速度; 采用EPLD器件對部分電路開展集成，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有較好的通用性，可滿足多種場合的需要而無需改動任何硬件。 系統(tǒng)的硬件介紹 系統(tǒng)分為遙測數據采集和存儲兩部分，采集部分包括采集控制和串并轉換電路;存儲部分有：幀計數、讀寫緩沖地址產生電路、讀寫控制電路及主存儲電路。構造框圖如圖1所示。 由于硬盤的工作時序與遙測數據的速率不匹配，從數據采集部分得到的

3、并行數據需采用SRAM作數據緩存，然后在單片機的控制下，將SRAM中的數據直接存入硬盤。而硬盤的尋道時間相對于遙測數據的速率來講比較慢，因此采用適當的寫盤方法，提高硬盤的讀寫速度是本系統(tǒng)的重點之一。其難點在于如何利用單片機控制硬盤開展讀寫、復位、檢測等操作。 1.1 雙片交替式緩沖存儲器 由于時序不匹配，遙測數據無法直接存入硬盤，因此需要一個緩沖存儲器開展匹配或緩沖，使遙測數據和硬盤存儲可以分別按各自不同的時序和速度對緩沖存儲器SRAM開展操作，解決了不同時序的匹配問題。因此采用緩沖存儲方法，將遙測數據存滿一定容量的SRAM，再對其開展塊操作存儲，可極大地提高存儲的速度。為了實現遙測數據無丟失

4、存儲，緩沖存儲器采用雙片交替式，即兩片SRAM分別交替地被寫入遙測數據。首先在地址產生電路控制下將遙測數據寫入其中一片SRAM，寫滿后發(fā)出溢出中斷，并且封閉地址產生電路及遙測數據的通路而接通硬盤地址和數據通路，等待CPU響應中斷后，讀取數據存入硬盤。與此同時，另一片SRAM的地址和數據端馬上被接通到地址產生電路和遙測數據通路上，承受遙測數據的寫入。同樣寫滿后發(fā)出中斷，切換至被讀取狀態(tài)。兩片SRAM如此交替地工作，連續(xù)不斷地將遙測數據緩存、寫盤，只要寫盤所用的時間不大于遙測數據寫滿SRAM的時間，數據就會無丟失地全部存儲。 1.2 采用MCS-51系列單片機驅動硬盤的方案 由于目前還沒有為單片機

5、設計的專用硬盤驅動器及接口電路，利用單片機系統(tǒng)控制現有的硬盤驅動器，可極大地提高系統(tǒng)的性能價格比。因此，本系統(tǒng)采用單片機控制硬盤開展高速數據的存儲。 IDE接口的硬盤驅動器提供了兩種數據傳輸模式：DMA模式和PIO模式。由于PIO模式控制相對容易，提供了一種編程控制輸入輸出的快速傳輸方法。該模式采用了高速的數據塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請求方式與處理機開展批量數據交換。在扇區(qū)讀寫操作時， 按16位長度通過內部的高速PIO數據存放器實現傳輸。通常情況下，數據傳輸以扇區(qū)為單位，每傳輸一扇區(qū)數據產生一個中斷。在塊模式下以塊為單位，在讀寫一個塊期間，硬盤驅動器不產生中斷，這樣就大大地節(jié)省了時間。由

6、于本系統(tǒng)遙測數據的碼速率提高到8Mb/s，對硬盤的寫盤速度要求非常高，因此本系統(tǒng)采用了塊傳輸模式以提高硬盤的讀寫速度。硬盤在讀寫16位數據時，PC機中使用INSW指令或OUTSW指令實現16位數據讀寫操作，由I/O端口直接到內存。而在本系統(tǒng)中采用MCS-51系列單片機控制硬盤，使數據傳輸在硬盤端口存放器與緩沖存儲器之間開展，不經過單片機，單片機只是對硬盤開展初始化，并發(fā)相應的寫命令。這樣，在單片機的控制下，兩片SRAM交替工作，實現了高速遙測數據無丟失存儲。 系統(tǒng)的軟件介紹 2.1 硬盤速度測試 硬盤的存取速度是決定8Mb/S碼速率硬盤存儲方案可行性的關鍵。是否存在足夠高速的硬盤與系統(tǒng)相配，是

7、本系統(tǒng)方案能否實現的一個決定性問題。但是，利用現有的硬盤測試軟件只能比較幾種硬盤之間的優(yōu)劣和差異，而不能比較同一硬盤采用不同寫盤方法的速度差異。為了得到一種較快的寫盤方法，在對硬盤讀寫原理開展深入剖析后，自己編程開展測試。以邁拓4.3GB硬盤為例，采用三種不同的寫盤方法：調用BIOS的INT13;利用非塊模式和塊模式寫盤;對硬盤速度開展測試。結果證明：采用PIO及塊模式寫盤速度 快，可以到達3.496MB/s。完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。 2.2 單片機控制硬盤讀寫操作 IDE接口是一種任務存放器構造的接口，所有輸入輸出操作均通過對相應存放器的讀寫來完成的。如果主機要對硬盤機開展寫數據操作，首先

8、開展（命令和參數）存放器選擇，通過數據總線將相應的命令碼用IOW寫入命令存放器，以及有關參數寫入硬盤參數存放器。數據由數據總線（16位寬）傳遞至數據存放器，通過數據存放器存入緩存器。IDE接口會根據命令自動將數據寫到由參數存放器指的磁道號、頭號、扇區(qū)號。硬盤的讀操作與寫操作相似，區(qū)別在于首先發(fā)出中斷請求，然后開展數據傳輸。IDE控制器端口存放器地址分配見表。 主狀態(tài)存放器（CS0置0）反映硬盤控制器的操作狀態(tài)，決定查詢狀態(tài)后的不同流向。定義如下： 在向控制器發(fā)出命令之前，必須先檢測控制器是否忙碌（）。如果在規(guī)定時間內控制器一直忙碌，則置超時錯，否則表示控制器空閑可承受命令。 設計過程中，采用PIO模式以塊為單位開展讀寫操作，從硬盤讀數據的過程描述如下： （）在相關存放器中寫入所需的參數，如讀取扇區(qū)的起始柱面號、磁頭號、扇區(qū)號、讀寫扇區(qū)數等; （）向命令存放器中寫入命令代碼; （）驅動器置BSY位，準備數據傳輸; （）當驅動器準備好數據后，置DRQ位，去除BSY位，發(fā)出中斷請求; （）主機檢測到中斷，讀出狀態(tài)存放器。測試ERR位，若為1則轉入出錯處理，否則循環(huán)使用IN指令通過數據存放器讀一個扇區(qū)或一個塊的數據。 （）驅動器去除