基于MCS-51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計

作者：吳芝路，任廣輝，王桂玲

隨著遙測技術(shù)的發(fā)展，被測參數(shù)迅速增加，數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，對系統(tǒng)的存儲容量、體積、造價、穩(wěn)定性等都提出了更高要求。為了實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率和較大的數(shù)據(jù)量，往往采用多處理機(jī)并行處理、傳輸和并行記錄技術(shù)。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(jī)時等缺點(diǎn)，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(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)是十分必要的。近年來作為數(shù)據(jù)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(jī)，可為用戶開發(fā)速度高、存儲量大、性能可靠的遙測數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

基于上述原因，本文提出了采用單片機(jī)控制硬盤對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲的方案，對數(shù)千秒遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時無丟失存儲，其最大優(yōu)點(diǎn)是不占用系統(tǒng)機(jī)時。本系統(tǒng)的特點(diǎn)：

·采用PIO模式進(jìn)行塊操作的寫盤方法，從而大大提高了硬盤的寫盤速度;

·以單片機(jī)為核心，采用I/O口與緩沖存儲器之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，解決了高速遙測數(shù)據(jù)、CPU和硬盤三者工作速度不一致的矛盾;

·采用EPLD器件對部分電路進(jìn)行集成，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。

１ 系統(tǒng)的硬件介紹

系統(tǒng)分為遙測數(shù)據(jù)采集和存儲兩部分，采集部分包括采集控制和串／并轉(zhuǎn)換電路;存儲部分有：幀計數(shù)、讀寫緩沖地址產(chǎn)生電路、讀寫控制電路及主存儲電路。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

由于硬盤的工作時序與遙測數(shù)據(jù)的速率不匹配，從數(shù)據(jù)采集部分得到的并行數(shù)據(jù)需采用SRAM作數(shù)據(jù)緩存，然后在單片機(jī)的控制下，將SRAM中的數(shù)據(jù)直接存入硬盤。而硬盤的尋道時間相對于遙測數(shù)據(jù)的速率來講比較慢，因此采用適當(dāng)?shù)膶懕P方法，提高硬盤的讀寫速度是本系統(tǒng)的重點(diǎn)之一。其難點(diǎn)在于如何利用單片機(jī)控制硬盤進(jìn)行讀寫、復(fù)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(shù)據(jù)無法直接存入硬盤，因此需要一個緩沖存儲器進(jìn)行匹配或緩沖，使遙測數(shù)據(jù)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進(jìn)行操作，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(shù)據(jù)存滿一定容量的SRAM，再對其進(jìn)行塊操作存儲，可極大地提高存儲的速度。為了實(shí)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)無丟失存儲，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(shù)據(jù)。首先在地址產(chǎn)生電路控制下將遙測數(shù)據(jù)寫入其中一片SRAM，寫滿后發(fā)出溢出中斷，并且封閉地址產(chǎn)生電路及遙測數(shù)據(jù)的通路而接通硬盤地址和數(shù)據(jù)通路，等待CPU響應(yīng)中斷后，讀取數(shù)據(jù)存入硬盤。與此同時，另一片SRAM的地址和數(shù)據(jù)端馬上被接通到地址產(chǎn)生電路和遙測數(shù)據(jù)通路上，接受遙測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)緩存、寫盤，只要寫盤所用的時間不大于遙測數(shù)據(jù)寫滿SRAM的時間，數(shù)據(jù)就會無丟失地全部存儲。

1.2 采用MCS-51系列單片機(jī)驅(qū)動硬盤的方案

由于目前還沒有為單片機(jī)設(shè)計的專用硬盤驅(qū)動器及接口電路，利用單片機(jī)系統(tǒng)控制現(xiàn)有的硬盤驅(qū)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(jī)控制硬盤進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的存儲。

IDE接口的硬盤驅(qū)動器提供了兩種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請求方式與處理機(jī)進(jìn)行批量數(shù)據(jù)交換。在扇區(qū)讀寫操作時，一次按16位長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器實(shí)現(xiàn)傳輸。通常情況下，數(shù)據(jù)傳輸以扇區(qū)為單位，每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)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(qū)動器不產(chǎn)生中斷，這樣就大大地節(jié)省了時間。由于本系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，PC機(jī)中使用INSW指令或OUTSW指令實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)讀／寫操作，由I/O端口直接到內(nèi)存。而在本系統(tǒng)中采用MCS-51系列單片機(jī)控制硬盤，使數(shù)據(jù)傳輸在硬盤端口寄存器與緩沖存儲器之間進(jìn)行，不經(jīng)過單片機(jī)，單片機(jī)只是對硬盤進(jìn)行初始化，并發(fā)相應(yīng)的寫命令。這樣，在單片機(jī)的控制下，兩片SRAM交替工作，實(shí)現(xiàn)了高速遙測數(shù)據(jù)無丟失存儲。

２ 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(guān)鍵。是否存在足夠高速的硬盤與系統(tǒng)相配，是本系統(tǒng)方案能否實(shí)現(xiàn)的一個決定性問題。但是，利用現(xiàn)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，在對硬盤讀寫原理進(jìn)行深入剖析后，自己編程進(jìn)行測試。以邁拓4.3GB硬盤為例，采用三種不同的寫盤方法：調(diào)用BIOS的INT13;利用非塊模式和塊模式寫盤;對硬盤速度進(jìn)行測試。結(jié)果證明：采用PIO４及塊模式寫盤速度最快，可以達(dá)到3.496MB/s。完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。

2.2 單片機(jī)控制硬盤讀寫操作

IDE接口是一種任務(wù)寄存器結(jié)構(gòu)的接口，所有輸入輸出操作均通過對相應(yīng)寄存器的讀／寫來完成的。如果主機(jī)要對硬盤機(jī)進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作，首先進(jìn)行（命令和參數(shù)）寄存器選擇，通過數(shù)據(jù)總線將相應(yīng)的命令碼用IOW寫入命令寄存器，以及有關(guān)參數(shù)寫入硬盤參數(shù)寄存器。數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線（16位寬）傳遞至數(shù)據(jù)寄存器，通過數(shù)據(jù)寄存器存入緩存器。IDE接口會根據(jù)命令自動將數(shù)據(jù)寫到由參數(shù)寄存器指的磁道號、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，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。IDE控制器端口寄存器地址分配見表１。

主狀態(tài)寄存器（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（Ｄ７＝１）。如果在規(guī)定時間內(nèi)控制器一直忙碌，則置超時錯，否則表示控制器空閑可接受命令。

設(shè)計過程中，采用PIO模式以塊為單位進(jìn)行讀寫操作，從硬盤讀數(shù)據(jù)的過程描述如下：

（１）在相關(guān)寄存器中寫入所需的參數(shù)，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(shù)等;

（２）向命令寄存器中寫入命令代碼;

（３）驅(qū)動器置BSY位，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸;

（４）當(dāng)驅(qū)動器準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，置DRQ位，清除BSY位，發(fā)出中斷請求;

（５）主機(jī)檢測到中斷，讀出狀態(tài)寄存器。測試ERR位，若為1則轉(zhuǎn)入出錯處理，否則循環(huán)使用IN指令通過數(shù)據(jù)寄存器讀一個扇區(qū)或一個塊的數(shù)據(jù)。

（６）驅(qū)動器清除DRQ位，如果還有要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。從第4步重復(fù)執(zhí)行。

數(shù)據(jù)的寫入過程與讀出過程大致相似，區(qū)別在于首先進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后發(fā)出中斷請求，具體過程不再贅述。PIO模式編程的簡單流程圖見圖２。

實(shí)驗證明，本存儲方案可行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了遙測數(shù)據(jù)正確、無丟失存儲，并應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中。

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