1 引言
    C805lF系列單片機(jī)是Cygnal公司完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)器件(SOC)，其CIP一51內(nèi)核運(yùn)行速度高達(dá)25 MI/s，除具有標(biāo)準(zhǔn)805l的數(shù)字外設(shè)外，其內(nèi)部還集成有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等元件，豐富的外設(shè)資源及高速指令運(yùn)算能力大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為此，給出了基于C8051F060單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)外場(chǎng)試驗(yàn)中彈載振動(dòng)傳感器輸出的3路振動(dòng)信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，并將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口上傳至地面測(cè)試臺(tái)，最終上傳到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的回放和分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    圖1給出系統(tǒng)整體框圖，整個(gè)系統(tǒng)是由記錄器，地面測(cè)試臺(tái)，上位機(jī)及配套軟件組成。其中，記錄器包括電源模塊，信號(hào)調(diào)理模塊及采編存儲(chǔ)模塊，而電源模塊可向記錄器的各模塊提供所需電源，信號(hào)調(diào)理模塊用于濾波、調(diào)幅3路振動(dòng)信號(hào)，采編存儲(chǔ)模塊用于采集、編幀和存儲(chǔ)3路信號(hào)。系統(tǒng)存儲(chǔ)選用SAMSUNG的NAND Flash K9K8G08UOM器件，而主控器件選用C8051F060。該主控器件除指令執(zhí)行速度快，I／0端口配置靈活和在線調(diào)試功能外，還具有以下特點(diǎn)：①內(nèi)部集成10位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率可達(dá)200 KS／s，無(wú)需外接專用A/D轉(zhuǎn)換器，降低成本，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；②UARTI為增強(qiáng)型波特率發(fā)生器，最高波特率達(dá)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1／2，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳。該系統(tǒng)采用14．745 6MHz的晶體振蕩器，最高通信波特率為7．372 8 Mb／s。③豐富的定時(shí)器資源，C805lF060內(nèi)部具有5個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，滿足系統(tǒng)要求。④C805lF060內(nèi)部4 K字節(jié)的XRAM可作為數(shù)據(jù)緩存。圖2給出采編存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)框圖，具體電路連接圖如圖3所示。

    地面測(cè)試臺(tái)主要完成外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的模擬生成以及在記錄器回收后數(shù)據(jù)上傳，與記錄器的通信采用串口通信方式。上位機(jī)通過(guò)USB接口控制地面測(cè)試臺(tái)完成對(duì)記錄器的測(cè)試及記錄器回收讀數(shù)后的數(shù)據(jù)分析。從而該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可滿足：振動(dòng)傳感器輸出幅值為0～5 V的3路電壓信號(hào)；A／D轉(zhuǎn)換器分辨率為10 bit；采集速率每路為5 KS／s，分時(shí)采集，存儲(chǔ)容量為1 G字節(jié)；實(shí)現(xiàn)循環(huán)記錄方式，系統(tǒng)上電后，當(dāng)接收到一組特定串行數(shù)據(jù)后便開(kāi)始記錄，掉電后停止記錄，其串行數(shù)據(jù)的波特率為921．6 Kb／s。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 開(kāi)啟采集方式
    記錄器上電初始化后，在1 s內(nèi)循環(huán)判斷串口0是否接收到一組數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，就進(jìn)入寫狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)去判斷讀信號(hào)是否有效。如果有效則進(jìn)入讀狀態(tài)，將數(shù)據(jù)從Flash中讀出并通過(guò)串口l發(fā)送，否則返回再判斷串口0是否接收到數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。其總體流程如圖4所示。

    在寫狀態(tài)時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的拾取通過(guò)中斷函數(shù)完成，系統(tǒng)主程序能夠輪流從兩塊RAM中讀取數(shù)據(jù)并順序?qū)懭隖lash中。為了便于上位機(jī)軟件分析，在存儲(chǔ)前需要對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，加入幀標(biāo)志和時(shí)間信息。具體實(shí)現(xiàn)方法是：先將A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部RAM中，為滿足Flash頁(yè)編程的時(shí)間，利用雙RAM實(shí)現(xiàn)乒乓緩存，將內(nèi)部4 KB的XRAM分為2塊，每塊容量為2 048個(gè)字節(jié)，每塊寫滿后分別置滿標(biāo)志，當(dāng)CPU讀取該RAM中所有數(shù)據(jù)并寫入Flash后清除該RAM滿標(biāo)志，2塊RAM交替進(jìn)行，保證數(shù)據(jù)的讀寫操作。在采集狀態(tài)下寫Flash的流程圖如圖5所示。

3．2 編幀
    為了快速提取數(shù)據(jù)，需在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前對(duì)其編幀，3路信號(hào)總采樣速率為15 KS／s，具體編幀格式如表1所列。
    這樣編幀后方便了上位機(jī)軟件分析，可以方便提取所關(guān)心的信息，在軟件繪出振動(dòng)數(shù)據(jù)波形圖后通過(guò)時(shí)間軸信息可快速定位到需要查找的區(qū)域。
3．3 內(nèi)部XRAM操作
    通過(guò)定義數(shù)組實(shí)現(xiàn)內(nèi)部XRAM操作，數(shù)組定義方法為：unsigned char xdata s[4096]，xdata標(biāo)識(shí)符指定s的存儲(chǔ)區(qū)為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，由于該數(shù)組只需4KB空間且系統(tǒng)中未使用外擴(kuò)XRAM，所以必須設(shè)置存儲(chǔ)器模式為只使用內(nèi)部XRAM，即設(shè)置EMIOCF[3：2]為00。
3．4 定時(shí)器應(yīng)用
    單片機(jī)內(nèi)部5個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器在該系統(tǒng)分別用于：TO產(chǎn)生1 s的循環(huán)定時(shí)；T1產(chǎn)生UARTl的波特率(7．372 8 Mb／s)；T2產(chǎn)生UARTO的波特率(921．6 Kb／s)；T3產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換器2的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。T4產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)，用于數(shù)據(jù)編幀。
    以下為A／D轉(zhuǎn)換器2的初始化程序代碼：

   
    值得注意的是：由于C8051F060采用分頁(yè)機(jī)制，對(duì)每個(gè)寄存器操作前必須先將SFRPAGE指向相應(yīng)的特殊功能寄存器頁(yè)，否則操作無(wú)效，而在中斷發(fā)生時(shí)SFR頁(yè)會(huì)自動(dòng)切換到中斷標(biāo)志位所在頁(yè)，使得軟件無(wú)需對(duì)SFR頁(yè)進(jìn)行保護(hù)操作，降低程序消耗。

4 測(cè)試試驗(yàn)
    該記錄器在正式上彈前已經(jīng)過(guò)兩次炮擊試驗(yàn)．炮擊試驗(yàn)情況如表2所示。

    兩次炮擊試驗(yàn)均是考核整個(gè)記錄器的外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部電路板的抗過(guò)載能力，試驗(yàn)后電路板正常無(wú)損壞。而外部晶體振蕩器損壞，因此，該系統(tǒng)采用C8051F系列單片機(jī)，由于其內(nèi)部集成可編程內(nèi)部晶體振蕩器，在記錄器回收后讀取數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)將時(shí)鐘切換至內(nèi)部晶體振蕩器模式，這樣避免回收后重新更換晶體振蕩器。
    C8051F系列單片機(jī)可靈活配置系統(tǒng)各功能模塊時(shí)鐘，例如：系統(tǒng)使用內(nèi)部晶體振蕩器，定時(shí)器和PCA等外部晶體振蕩器，可改變內(nèi)部晶體的頻率，也可禁止，只使用外部晶體振蕩器，只要內(nèi)部晶體振蕩器和外部晶體振蕩器配置正確，系統(tǒng)可在任何時(shí)刻在兩者之間迅速切換。值得注意的是：晶體振蕩電路對(duì)PCB布局和外部噪聲非常敏感，應(yīng)將晶體振蕩器盡可能地靠近XTAL引腳放置，布線應(yīng)盡可能地短并用地平面屏蔽，以防止其他引線引入噪聲或干擾；每個(gè)電源引腳處放置0．1μF和1μF的去耦電容，且盡可能地靠近該單片機(jī)放置，而未使用的模擬輸入應(yīng)接地(模擬地)。

5 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)的采編存儲(chǔ)系統(tǒng)具有體積小、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)采集分析的要求。