基于SD卡艦舵參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(海軍工程大學(xué) 導(dǎo)航工程系 武漢，430033)

目前，艦船在出海航行時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)只能記錄在船載航行數(shù)據(jù)記錄儀(voyage data recorder,VDR)中，需要專用設(shè)備才能提取，過程也比較繁瑣，并且VDR中的參數(shù)數(shù)據(jù)不夠完整，不能為參數(shù)辨識(shí)全面提供依據(jù)。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)便捷、高效、實(shí)用的艦舵參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸有關(guān)艦船航向、舵角、位置、縱橫搖角等參數(shù)數(shù)據(jù)。本文主要介紹為獲取艦舵參數(shù)數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)及將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至大容量的SD(secure digital memory card)卡中，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)端服務(wù)器的工作。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

艦舵參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以C8051F500單片機(jī)為控制器，SD卡作為安全存儲(chǔ)介質(zhì)，GPRS-DTU為傳輸設(shè)備，對(duì)艦船自動(dòng)舵的航向、舵角、位置等參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和傳輸。以C8051F500單片機(jī)為主控器的采集電路對(duì)艦舵參數(shù)進(jìn)行采集，通過SPI訪問方式將數(shù)據(jù)寫入大容量存儲(chǔ)介質(zhì)SD卡中，利用GPRS-DTU無線傳輸設(shè)備根據(jù)串口通信協(xié)議將存儲(chǔ)在SD卡中的參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成示意

2 硬件功能原理與設(shè)計(jì)

參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括單片機(jī)的選取及其外圍電路設(shè)計(jì)，其中外圍電路主要有晶振電路、C2接口電路、電源電路、CAN總線驅(qū)動(dòng)電路，R232/422串口電路、SD卡SPI模式與單片機(jī)連接電路等

2.1 主控制器的選取

選用C8051F500單片機(jī)，片內(nèi)的JTAG調(diào)試電路允許對(duì)MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速在線調(diào)試。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。C8051F系列的開發(fā)軟件可以使用專用集成開發(fā)環(huán)境Silicon Laboratories IDE,也可以使用較為通用的8051單片機(jī)開發(fā)軟件uVision集成開發(fā)環(huán)境。C8051F500單片機(jī)不僅能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能，還能很容易地實(shí)現(xiàn)SD卡的訪問[1]，與SD卡系統(tǒng)的相關(guān)特性主要有以下幾個(gè)方面。

1)單片機(jī)內(nèi)部具有SPI接口，可與SD卡的SPI總線接口匹配。

2)具有5個(gè)I/O端口，除滿足數(shù)據(jù)采集需要外，有足夠的端口與SD卡連接。并且，這些端口可通過軟件進(jìn)行配置，獲得不同的功能，其中，SPI接口就是通過配置相關(guān)寄存器獲得的。

3)具有可擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)，支持18個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)，其中包括SPI接口產(chǎn)生的中斷。

4)4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM(256～4 096)，64 kB的可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器，就可以滿足文件系統(tǒng)的建立和訪問SD卡的需要。

5)片內(nèi)JTAG調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步調(diào)試。

6)時(shí)鐘系統(tǒng)比較完善，可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘，通過編程可以切換。

2.2 存儲(chǔ)介質(zhì)

SD卡包含兩個(gè)基本部分：NAND型FLASH存儲(chǔ)模塊和內(nèi)置控制器。FLASH存儲(chǔ)模塊用來以扇區(qū)(512B)為單位存儲(chǔ)數(shù)字信息，控制器用來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的接口及控制數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)模塊中的傳輸[2]。

SD卡支持兩種總線訪問方式[3]：SD方式和SPI方式，其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0～DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，有較快的存取速度，一般通過帶USB接口的SD卡讀卡器與SD卡通信時(shí)多采用此模式；而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn(DI)、DataOut(DO)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,由于許多51內(nèi)核單片機(jī)已經(jīng)提供了SPI接口，即便沒有SPI接口，也可以很容易地通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議通訊，所以采用單片機(jī)對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫時(shí)一般都采用SPI模式[4]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的C8051F500單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)提供了SPI總線接口，所以不需要進(jìn)行軟件模擬。SD卡在SPI模式下引腳功能定義見表1。

表1 SPI模式下SD卡的引腳功能定義

注：S-電源輸入;I-輸入;O-輸出;PP-采用推拉驅(qū)動(dòng)的輸入輸出

SD卡與C8051F500單片機(jī)的P1的4個(gè)I/O口相連。SD卡的CS腳連接到單片機(jī)的SS管腳；DI腳連接到單片機(jī)的MOSI管腳，單片機(jī)通過此管腳向SD卡寫入數(shù)據(jù)；DO腳連接單片機(jī)的MISO管腳，單片機(jī)從這個(gè)管腳讀取SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)；SCK腳連接單片機(jī)的SCK管腳，單片機(jī)通過這個(gè)管腳向SD卡發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。具體連接見圖2。

圖2 單片機(jī)與SD卡連接示意

2.3 傳輸方式

系統(tǒng)采集的實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，可以由兩種方式傳送至PC機(jī)：①將SD卡插入PC機(jī)的SD卡槽讀取參數(shù)數(shù)據(jù)；②通過GPRS無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)端PC機(jī)。由于艦船遠(yuǎn)海航行時(shí)沒有通信信號(hào)，只能在艦船近海航行或者靠近碼頭時(shí)傳送數(shù)據(jù)，而通過無線傳輸能節(jié)省大量的時(shí)間、資源和資金?；诜绞?)具有延時(shí)性、間斷性、繁瑣性、受限性，本系統(tǒng)選擇方式2)GPRS無線傳輸。

基于通用分組無線業(yè)務(wù)的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸是目前十分適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通訊方式，具有運(yùn)行成本低、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是GPRS網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商投資，可以節(jié)省巨額的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用，免除了網(wǎng)絡(luò)的日常修改和維護(hù)，可使系統(tǒng)建設(shè)及維護(hù)成本大大降低。

GPRS無線應(yīng)用組網(wǎng)方式有多種[5]，本課題所研究系統(tǒng)選用了北京天同誠(chéng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)WG-8010 GPRS-DTU數(shù)據(jù)傳輸終端。WG-8010內(nèi)置工業(yè)級(jí)GPRS無線模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/485數(shù)據(jù)接口，可以方便連接RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置，用戶設(shè)備就可以與數(shù)據(jù)中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

DTU的主要功能如下。

1)永遠(yuǎn)在線。DTU數(shù)據(jù)終端能夠保持與GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的連接，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)保持通訊鏈路暢通。

2)自動(dòng)撥號(hào)。當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)或外部電源關(guān)閉等原因造成DTU與網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷時(shí)，DTU能夠自動(dòng)發(fā)起撥號(hào)，重新與網(wǎng)絡(luò)指定IP建立連接。

3)透明傳輸。用戶數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸以后，到達(dá)串口端是嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)原碼輸出的。

4)標(biāo)準(zhǔn)UDP/TCP數(shù)據(jù)傳輸。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)選擇使用通訊協(xié)議，UDP協(xié)議是“無鏈接的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議”，TCP協(xié)議是“可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議”。

5)固定IP和支持動(dòng)態(tài)域名。DTU不但支持與固定IP建立連接，還能夠支持動(dòng)態(tài)域名解析。

3 軟件設(shè)計(jì)

利用C8051F500單片機(jī)通過VDR對(duì)外接口采集艦舵參數(shù)，并將采集數(shù)據(jù)寫入SD卡存儲(chǔ)，再通過WG-8010 GPRS-DTU將參數(shù)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，軟件主要分為以下幾部分。

1)C8051F500單片機(jī)硬件初始化及SPI端口配置，主要用來配置SPI接口所占用的具體引腳以及SPI的主、從模式等參數(shù)。

2)SD卡初始化。SD卡命令輸入模塊，通過此模塊的調(diào)用可以向SD卡輸入各種控制或配置命令，同時(shí)檢測(cè)SD卡的工作狀態(tài)。

3)SD卡的數(shù)據(jù)塊的讀寫。在功能命令輸入之后，單片機(jī)可以調(diào)用此模塊與SD卡交換數(shù)據(jù)。

4)SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)即FATFS文件系統(tǒng)初始化，實(shí)現(xiàn)SD卡中數(shù)據(jù)能在PC機(jī)正常讀。

5)利用GPRS-DTU通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)端PC機(jī)上的接收和發(fā)送。

4 結(jié)論

相比目前VDR船載航行數(shù)據(jù)記錄儀，將大容量SD卡存儲(chǔ)方式運(yùn)用到艦舵參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)中，解決了大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)提取方式，也提高了數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的可靠性。一方面能為艦舵操縱K-T方程的參數(shù)辨識(shí)及其他艦船運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)辨識(shí)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)；另一方面建立一個(gè)完整的關(guān)于艦船航向、舵角、位置、縱橫搖角、載重情況等參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，為將來的艦船實(shí)驗(yàn)研究提供重要依據(jù)，優(yōu)化自動(dòng)舵的控制率。

[1] 李長(zhǎng)有.基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007(9):120-122.

[2] 段 勇.基于MSP430單片機(jī)的SD卡讀寫[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2007,(4):347-350.

[3] 韓 輝.基于SD卡的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2010(1):65-67.

[4] 袁芬艷.SD卡在工業(yè)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].電子器件，2010(5):629-631.

[5] 劉 博.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué),2008.