探空火箭數(shù)據(jù)存儲設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)

吳春靜，周盛雨，魏本杰，許 睿

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

探空火箭數(shù)據(jù)存儲設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)

吳春靜1,2，周盛雨2，魏本杰2，許 睿1,2

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

針對目前航天探測中大量科學(xué)數(shù)據(jù)存儲的問題，設(shè)計了兼顧存儲容量大和緩存速度快兩大特點的探空火箭數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。CPU采用TI最新推出的TMS570LS3137，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計主要是利用該芯片的EMIF模塊和SPI模塊。外部存儲器接口（EMIF）提供較大的尋址空間可以擴展多個外接板卡，選用SDRAM作為高速緩存的核心部件，SPI接口模塊直接與SD卡卡槽相連接，選用SD卡作為大容量存儲設(shè)備。給出了部分軟件設(shè)計流程圖以及系統(tǒng)測試結(jié)果圖，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計目的，在航天工程領(lǐng)域具備一定的利用價值。

TMS570LS3137;數(shù)據(jù)存儲；SDRAM；SD卡

隨著近幾十年來航天技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的不同型號探測器由探空火箭搭載進(jìn)入臨近空間完成相應(yīng)的科學(xué)探測任務(wù)。這些探測器采集到的科學(xué)數(shù)據(jù)需要及時存儲以便回到地面進(jìn)行更深入的分析研究。為了對探空火箭采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地存儲與分析，數(shù)據(jù)存儲設(shè)備必須選取體積小、容量大、可擦寫以及非易失的存儲介質(zhì)，同時，考慮到數(shù)據(jù)采集過程中對存儲速度要求較高的技術(shù)需求，空間存儲設(shè)備還需具有一定的高速緩存能力。

結(jié)合這些背景，設(shè)計了兼顧存儲容量大和緩存速度快兩大特點的探空火箭數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，以滿足存儲多種大容量科學(xué)數(shù)據(jù)的航天任務(wù)需求。

1 探空火箭存儲系統(tǒng)簡介

探空火箭上的有效載荷包括箭載GPS、雙臂探針式電場儀、朗繆爾探針、大氣微量成分探空儀、箭上發(fā)射系統(tǒng)、箭載姿態(tài)測量儀等設(shè)備。這些模塊采集到的科學(xué)數(shù)據(jù)和工程參數(shù)需要組織成符合CCSDS遙測格式的數(shù)據(jù)源包存儲在箭上的存儲設(shè)備中。這些數(shù)據(jù)一部分存儲于高速緩存模塊中，通過箭上發(fā)射系統(tǒng)及時發(fā)送回地面接收站，如采集到的圖像信息，而另一部分被存儲于箭上的大容量存儲設(shè)備中，在返回地面后再進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理?？紤]的設(shè)計成本與存儲數(shù)據(jù)的讀寫速度，高速緩存模塊選用了SDRAM作為核心部件，大容量的存儲設(shè)備選用了SD卡。

2 硬件接口設(shè)計

2.1 處理器主控模塊

本文選取TMS570LS3137作為箭上存儲設(shè)備的主控芯片。該芯片為TI公司開發(fā)的一款高性能高可靠性的微控制器。其集成了ARM Cortex-R4F浮點型CPU，此CPU最高運算速度可達(dá)1.66DMIPS/MHz，并具有高達(dá)180MHz運行的配置。其本身具有豐富的外部通信接口，如SPI接口、SCI接口、CAN總線接口、以太網(wǎng)接口等。除此以外，其特有的外部存儲器接口(EMIF)可極大地提升設(shè)備的擴展性和升級性。

TMS570LS3137是存儲系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成對高速緩存模塊(SDRAM)的讀寫控制和以SPI模式將數(shù)據(jù)存儲入SD卡中的任務(wù)，而且處理器還需要為SD卡中數(shù)據(jù)的存儲實現(xiàn)相應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)并進(jìn)行文件系統(tǒng)的操作。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 箭上存儲系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of storage system for sounding rockets

2.2 SDRAM接口設(shè)計

SDRAM的接口電路主要利用了微處理器的外部存儲器接口(EMIF)。EMIF接口包含22位地址總線，加上4塊BANK地址，若使用16位數(shù)據(jù)總線寬度，其外部尋址范圍可高達(dá)32 MB。處理器與SDRAM連接情況如圖2所示。

圖2 SDRAM緩存接口電路Fig.2 Interface circuit for SDRAM cache

高速緩存模塊的SDRAM選用ISSI公司存儲容量為32MB的IS42S16160芯片。其采用CMOS技術(shù)，具有16位數(shù)據(jù)寬度，工作電壓為3.3 V。微處理器為其分配的尋址空間為0x80000000~0x87FFFFFF。

2.3 SD卡接口電路

SD卡接口設(shè)計利用了片內(nèi)的SPI接口模塊，所接入的SD卡將工作在SPI模式下。該模式可看作一種簡單的命令響應(yīng)協(xié)議，主控制器發(fā)出命令后，SD卡對不同命令返回對應(yīng)的響應(yīng)。在SPI模式下，共有3種響應(yīng)類型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個字節(jié)。在硬件設(shè)計中一共使用了4根串行總線連接SD卡插槽，分別是主機輸入從機輸出數(shù)據(jù)線(MISO)、主機輸入從機輸出數(shù)據(jù)線(MOSI)、片選(CS)和串行時鐘(SCLK)，卡槽的供電采用3.3 V電壓。具體連接如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 SDRAM驅(qū)動軟件設(shè)計

通常來說，SDRAM的驅(qū)動控制程序需要完成對SDRAM的初始化、預(yù)充電、自刷新等操作，而且還要根據(jù)SDRAM的工作模式對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置。本設(shè)計利用了TI公司的HALCoGen代碼生成工具，通過GUI界面完成各參數(shù)的配置，從而避免了傳統(tǒng)模式下通過編寫驅(qū)動程序代碼帶來的增加開發(fā)難度，提升開發(fā)成本等弊端。

圖3 SD卡接口電路Fig.3 Interface circuit for SD card

3.2 SD卡底層軟件設(shè)計

在SPI模式下，SD卡的操作是基于命令的，采用一種問答的方式，主機端向SD卡發(fā)送相應(yīng)的命令Command，SD卡收到命令后向主機返回應(yīng)答Response。SD卡有基本命令和特定命令，特定命令必須跟在基本命令CMD55后面。每條命令由6Byte組成，如表1所示。2-5字節(jié)為參數(shù)，有的命令沒有參數(shù)，就填0。SPI模式不需要CRC校驗碼，因此最后一個字節(jié)可以任意填寫。

表1 SD卡命令組成Tab.1 Comm and for SD card

底層軟件設(shè)計主要包括SD卡初始化、讀扇區(qū)數(shù)據(jù)、寫扇區(qū)數(shù)據(jù)。

1)SD卡初始化

初始化是SD卡在SPI模式下成功讀寫的前提，在初始化過程中要完成SPI模式的設(shè)置以及卡類型識別。首先利用TI的HALCoGen軟件對TMS570LS3137的SPI模塊做如下設(shè)置：使能SPI2，選擇主模式Master Mode，波特率設(shè)置為1000kHz，SCS[0]置0，SCS[1]置1。SD卡上電復(fù)位以后，默認(rèn)的是SD通信協(xié)議，必須通過SPI總線發(fā)送命令進(jìn)行協(xié)議切換。初始化的流程圖如圖4所示。

圖4 SD卡初始化流程圖Fig.4 Flow chart of SD Initialization

2)讀扇區(qū)數(shù)據(jù)

對SD卡初始化后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作了。在讀扇區(qū)操作中，使用單塊讀命令CMD17，多塊讀命令CMD18。數(shù)據(jù)塊的長度默認(rèn)為512Byte，可以用CMD16命令設(shè)置塊長度。圖5是讀SD卡扇區(qū)數(shù)據(jù)軟件流程圖。

圖5 讀SD扇區(qū)流程圖Fig.5 Flow chart of reading SD sector

3)寫扇區(qū)數(shù)據(jù)

單塊寫命令CMD24，多塊寫命令CMD25，向扇區(qū)寫數(shù)據(jù)時，發(fā)送數(shù)據(jù)開始令牌、正式數(shù)據(jù)以及CRC校驗之后要設(shè)置一個超時時間，如果該時間內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送未完成則判定為寫扇區(qū)失敗。寫扇區(qū)流程圖如圖6所示。

圖6 寫SD扇區(qū)流程圖Fig.6 Flow chart of writing SD sector

3.3 SD卡文件系統(tǒng)構(gòu)建

計算機支持的主要文件系統(tǒng)包括NTFS、FAT12、FAT16以及FAT32等。SD 1.1規(guī)范中規(guī)定的SD卡使用的是FAT12和FAT16文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT12的最大磁盤管理能力為8M，最終版的FAT16分區(qū)格式最大磁盤管理能力為2G。SD 2.0規(guī)范規(guī)定SDHC卡采用的是FAT32文件系統(tǒng)。

本設(shè)計所用的SD卡，由WinHex軟件讀取到的卡信息如表2所示。

表2 K inSton 8G SD卡的信息Tab.2 Information of K in Ston 8G

因為讀取到的數(shù)據(jù)布局是高地址放高字節(jié)，低地址放低字節(jié)。從上表數(shù)據(jù)可看出，每扇區(qū)有0x200個字節(jié)，每簇有0x08個扇區(qū)，保留扇區(qū)個數(shù)為0x0BB2，因此可計算出FAT1區(qū)開始的地址：0x0BB2*200(每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù))=0x176400。每個 FAT表占的字節(jié)數(shù)：0x3A27*200=0x744E00，因兩個FAT表緊挨，可以計算FAT2開始地址：0x176400+0x744E00= 0x8BB200。

構(gòu)建文件系統(tǒng)過程中，需要建立結(jié)構(gòu)體類型FAT32_BPB和FAT32_init_Arg。其包含扇區(qū)字節(jié)數(shù)、根目錄扇區(qū)屬性等信息。此外，文件還需定義文件目錄項結(jié)構(gòu)體directory和文件信息結(jié)構(gòu)體FileInfoStruct，用于表述該文件屬性。

文件系統(tǒng)的主要操作主要包括文件系統(tǒng)初始化、文件創(chuàng)建、文件打開、寫入文件和刪除文件。

4 系統(tǒng)調(diào)試

關(guān)于存儲系統(tǒng)的調(diào)試需要分別測試高速緩存模塊和外接SD卡存儲模塊。下面分別對調(diào)試過程進(jìn)行介紹。

SDRAM數(shù)據(jù)讀寫的測試可通過開發(fā)工具CCS v5的”Memory Browser”選項查看外部存儲器的內(nèi)容。測試時選取首地址為0x80004000，利用循環(huán)操作依次寫入500個數(shù)據(jù)。在”Memory Browser”窗口中觀察數(shù)據(jù)的讀寫情況，如圖7所示。從圖中可以清楚觀察到數(shù)據(jù)從十六進(jìn)制0000開始按每個循環(huán)逐步加一的形式依次寫入500個地址內(nèi)。由此可以驗證外部存儲器SDRAM在讀寫數(shù)據(jù)上工作正常。

圖7 SDRAM數(shù)據(jù)讀寫測試Fig.7 Reading and writing tests for SDRAM data

向SD卡連續(xù)寫入0x41，可用讀卡器在PC端查看新建的txt文件，文件名稱為0001.TXT，內(nèi)容為多個 A。另外，可通過WinHex軟件直接查看SD卡扇區(qū)上數(shù)據(jù)讀寫的結(jié)果，如圖8所示。由圖中可看出，TXT文件創(chuàng)建成功，從偏移地址001001200開始，數(shù)據(jù)0x41被連續(xù)寫入到SD卡扇區(qū)上。

Design of data storage system for sounding rockets

WU Chun-jing1,2,ZHOU Sheng-yu2,WEI Ben-jie2,XU Rui1,2
（1.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.Center for Space Science and Applied Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

Aiming at the problem that large number scientific data storage,this paper proposes a data storage system for sounding rockets,taking into account the features of the large storage capacity and high speed caching.This system uses TMS570LS3137 produced by TI as CPU.EMIF and SPI modules are mainly used in the design of the data storage system.EMIF interface provides external modules with addressing space.SDRAM is selected as a core member in cache.As SPI interface module directly connect with SD card slot,SD card is used for mass storage device.It lists some software flow charts and the result figure of system tests.This system can achieve the purpose of the design and has some value in aerospace applications.

TMS57LS3137;data storage;SDRAM;SD card

TN-9

A

1674－6236（2015）10-0051-03

2014-09-02 稿件編號：201409009

吳春靜(1989—)，女，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：嵌入式軟件設(shè)計。