基于海洋仪器的双模式文件系统设计与实现_李春乾.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：，（，；，（），）：（），（）（），：；：基于海洋仪器的双模式文件系统设计与实现李春乾，张成伦，尹 航，卢泽宇，李 萌（中国海洋大学信息科学与工程学部，山东 青岛；青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心，海洋高端仪器设备研发平台，山东 青岛）摘 要：海洋仪器通常采用 卡进行数据存储，并采用异步收发传输（）方式从仪器内部读取。但该方式读取速率较慢，可靠性低，若拆开仪器取出 卡读取，则容易因反复拆装仪器导致其密封性降低，存在进水风险。针对海洋仪器对数据传输速率、可靠性及自身密封性的要求，通过专用传输硬件电路及软件控制，设计了一套串行外设接口（）模式存储数据和安全数字（）模式读取数据的双模式文件系统，实现了海洋仪器无需取出 卡即可快速可靠读取数据。实验表明，该系统的数据传输速度比在 方式下传输速度高 个数量级，可达 。关键词：海洋仪器；文件读取系统；双模式；传输速率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）海洋仪器通常会将观、探测数据存储到仪器内部，待仪器回收后进行数据读取，尤其是自容式的海洋仪器更需要有专业的存储介质实现数据的存储。目前 卡（也称 ）作为最常见的存储介质，容量从 到 甚至更大，卡的读写性能优异、安全性和可靠性较高，其存储模式和数据接口易于使用，所以在海洋仪器中已得到越来越广泛的应用。卡有 和 两种总线工作模式。模式是 卡的标准读写方式，采用并行的方式进行通信，使用、共 根信号线；模式为 卡的精简读写方式，采用串行的方式进行通信，使用、共 根信号线，如图 所示。模式的数据读写速度比 模式快，且更可靠稳定，但 模式往往需要选择带有 卡控制器接口的嵌入式微处理器（，）或者额外的 卡控制单元，以支持 卡的读写。若选用 模式通讯就无形中增加了产品的硬件成本，且底层驱动程序较为复杂。模式数据传输速度较低，但具有所需接口数少，软件易实现的优点，所以在现有海洋仪器中，若采用嵌入式微处理器对 卡进行读写，且对读写时间要求不是很严格的情况下，通常选用 模式。但 模式无法将卡作为移动设备进行数据导出，只能采用 方式电 子 器 件第 卷进行数据传输，该方式传输速度较慢，最高仅为几十 每秒，如果数据量较大，传输时间长且容易出现传输错误的情况，需要重复测试和优化。若将 卡取出，则可能因频繁的拆装仪器，导致水汽凝结和密封不良，存在漏水风险。图 电气功能图针对上述情况，本文开展 卡在 模式和 模式两种工作模式下的研究，设计了一套简洁可靠的双模式文件系统，实现了 模式的数据存储和 模式的数据读取，解决了海洋仪器数据读取时需要拆装舱盖或读取速率慢的问题，取得了良好的实际应用效果。图 系统框架图 总体设计本文通过增加专用 和 卡读取电路，设计并开发一套适用于海洋仪器设备的高效文件读取系统，如图 所示。在数据读取时，采用专用 读取 卡数据，无需编写驱动程序，仅通过多路开关选择 卡的连接方向，然后通过 线连接电脑实现 卡的识别；在数据存储时，通过主控 首先将多路开关切换到 模式，然后在 模式下将采集到的数据存储到 中。系统设计 硬件设计本文选用 作为 卡读取电路中的专用，其为 公司的 单槽 读卡器控制器芯片，内部集成了高速 微处理器和高效硬件引擎，可实现 和 卡接口之间的最佳数据传输性能，内部功能框图如图 所示。图 内部功能框图其中 收发器宏单元（）是处理低级 协议和信号的模拟电路，并将数据的时钟域从 速率转换为与通用逻辑兼容的速率。串行接口引擎（），包含 和地址识别逻辑，以及其他用于处理 数据包和事务的排序和状态机 逻 辑。端 点 （）包 括 控 制（）、中断（）、批量输入 输出（）。此外它还包含 个（媒体接口），包括 卡、外部复位电路。图 专用 电路图本文设计的专用 电路原理图如图 所示，其中与 卡的连接方式为 模式，可以保证更快的读写速度。输入 电源，上会产生第 期李春乾，张成伦等：基于海洋仪器的双模式文件系统设计与实现 电压，为插卡检测引脚，未插卡时为高电平，插卡后变为低电平；为时钟信号，需要加 滤波。在本文设计中，输入 电源添加有高频滤波电容和缓冲电容，通过外接 和 实现 卡读写指示，内嵌 微处理器的时钟信号通过外接高精度瓷片电容和晶体振荡器实现，如图 所示。图 外围电路图 卡在正常工作模式下，由主控 进行控制，采用 模式读写 卡，这样操作简单，稳定可靠。在读取 卡数据时，需要将 卡与主控 分离，切换到专用 上，使用 模式进行读写，因为信号变化频率高，需要导通阻抗非常低的“切换开关”进行切换，本文选用 公司的 多路选择芯片进行设计，内部功能示意如图 所示。图 功能示意图 是一款互补金属氧化物半导体（）开关。提供具有 个独立控制通道的 单独可控开关配置，至 的宽运行电压范围，可在源极和漏极引脚上支持双向模拟和数字信号，最大输入 输出电压为 。同时该器件具有低导通电容（约 ）和低导通电阻（约 ），可以满足本文应用要求，其设计电路图如图 所示。卡既与主控 进行数据交换，又与专用 进行通讯，所以需要用到 根线，其中 模式的 根线和 模式复用，通过多路开关进行切换，卡电路如图 所示。需要注意 卡 引脚的供电，根据切换情况，供电的来源不同。图 多路开关电路图图 卡电路图读取 卡数据时需要通过 线连接电脑，由电脑提供 电源，需要增加 接口保护器，防止损坏后面的器件。同时需要使用带屏蔽和磁环的 线缆，提高传输速度，接口电路如图 所示。图 电路图图 电源转换部分电路图 卡供电采用 ，此电源需要尽可能稳定可靠，所以选用低压差 芯片，输出电压可达 精度，最大可提供 的电流，完全满足使用要求，电源转换部分电路图如图 所示。电 子 器 件第 卷 软件设计在软件设计中，选用 文件系统模块实现对 卡的读写操作，是专门为小型的嵌入式系统而设计开源文件系统，可移植到、等系列单片机上，支持、和，并支持多个存储媒介。本文的硬件电路设计默认将多路开关置于 模式，因此可直接将 接口插入电脑，通过专用 读写 卡，无需软件进行控制，提高了仪器中数据读取的便捷性。当作为海洋仪器的存储器时，通过仪器内主控 进行软件控制，使其工作在 模式，具体的软件控制流程如图 所示。图 模式的软件控制流程图在主控 上电开机后，首先对 开关芯片进行软件配置，使、分别与、短接，从而实现 卡与主控 上的、管脚相连。之后根据 管脚检测 卡是否插入，若检测到 卡存在，则对 的时钟、速率、通信模式等参数进行配置；若无 卡，则直接返回。协议配置成功后，根据 卡的等级进行相应的初始化操作，若初始化成功则加载文件系统，否则直接返回。若文件系统加载成功，则可对 卡进行读写操作；若加载失败，需对 卡进行格式化后重新加载。实验分析 模式传输本设计已应用于研制的小型化海洋 原位传感器，如图 所示，以该传感器获得的实际测量数据开展实验验证。存储器选用市面上常用的 的闪迪 卡，存储容量为 。通过水密接插头转 线缆连接电脑，原位传感器中的数据在电脑端的显示、文件格式及内部数据格式分别如图、图 和图 所示。卡内文件大小为 ，文件数量 个，数据以文本形式存储。图 原位传感器图 电脑端存储容量显示图 文件格式图 数据存储格式将 原位传感器中的 个文件一次性全部读取，重复 次，记录消耗时间，并计算平均值、总均值和标准偏差，得到的实验数据如表 所示。表 重复性测试数据序号文件大小 读取消耗时间 平均读取速率（）总均值（）标准偏差 第 期李春乾，张成伦等：基于海洋仪器的双模式文件系统设计与实现 传输在 模式下，通常先以 模式读取 中数据文件，然后再以 的方式进行传输，如图 所示。此时读取速度受 波特率和 波特率的双重影响，然而 的波特率通常远高于 的波特率，因此实际传输速度只受 波特率的影响。图 串口文件传输实验采用两个串口传输工具进行文件传输的验证，以 原位传感器的单个文件为待测文件，分别开展不同波特率的传输实验，具体配置如表 所示。此时，每个字符对应 个 位（起始位数据位停止位）。表 串口通信配置表传输方式起始位数据位奇偶校验位停止位波特率 字符串（）无 字符串（）无 字符串（）无 字符串（）无 表 中，波特率为每秒钟传送的码元数，比特率等于波特率乘以调制一个码元所需要的比特数。在串口调试中，其逻辑状态只有 和，此时调制一个码元所需要的 数为，即波特率等于比特率。此时文件的理论传输速率计算如式（）所示，实际测试如表 所示。随着波特率的提高，文件的传输速率对应提高，但实际的传输速率受记录时间的精确性、文件类型、传输软件、通信线缆等因素影响，会与理论的传输速率略有偏差。理论速率（）比特率（）（）波特率（）（）（）表 模式文件传输速率序号文件大小 波特率 读取消耗时间 实际读取速率（）理论读取速率（）总结本设计无需将 卡从仪器中取出，仅通过 线将海洋仪器与电脑连接，即可实现电脑端对 卡的 模式操作，既避免了因为反复拆装仪器舱盖导致的密封性隐患，又实现了数据的高速、可靠传输。同时本设计无需对海洋仪器进行上电开机即可实现对 卡的高速读写操作，因此对于因故障、电源耗尽等导致海洋仪器无法开机的情况，仍可实现 卡中数据的读取，提高了数据的安全性。参考文献：杜宇，武文华，王延林，等 基于自容式技术的系泊缆水下监测方法 哈尔滨工程大学学报，（）：，喻言，宋阳，董维杰，等 深海海洋平台监测的多变量自容式传感器设计 仪表技术与传感器，（）：李晨歌，张国军，朱珊，等 自容式水听器的设计与实现 国外电子测量技术，（）：锁刘佳，唐达，马书义 深水半潜式平台锚链倾角监测的自容式传感器的设计 海洋技术，（）：唐达，何峰，史然飞，等 深海自容式加速度测量装置的设计与实现 仪器仪表学报，（）：喻言，宋阳，董维杰，等 深海海洋平台监测的多变量自容式传感器设计 仪表技术与传感器，（）：赵二刚，张红宾，王志红，等 基于 技术的 处理器无线程序升级系统设计 南开大学学报（自然科学版），（）：何丹，李树国 存储卡接口 模式的 实现 微电子学，（）：，刘素花，龚德俊，徐永平，等 卡在海洋数据存储中的应用 海洋科学，（）：宋晨光，龚德俊，李思忍 接口在海洋数据存储中的应用 海洋科学，（）：曾永红，曾延安，易新建 高性能自容式下井计的研制 仪表技术与传感器，（）：，马昕，张士洋 一种实现海洋监测仪器大容量信息存储的方法 海洋技术，（）：仲伟峰，李全，利徐军 基于 的嵌入式 主机系统设计 哈尔滨理工大学学报，（）：付绍凯，卢俊强，鞠晓东，等 声波测井仪器井下数据文件系统设计 测井技术，（）：王丹，姚磊，杨云川，等 基于 文件系统的高速大电 子 器 件第 卷数据记录仪的设计 电子设计工程，（）：，：，（）：黄龙君，张建峰，胡勇，等 深水地震拖缆数据采集仪器的质量控制方法 电子测量技术，（）：潘琢金，李冰，罗振，等 基于 的 模块的设计与实现 制造业自动化，（）：张绪锦 一种自动检测串行通信波特率的方法 现代电子，（）：李春乾（），男，在职博士生，研究方向为海洋环境探测技术，；张成伦（），男，硕士，研究方向为嵌入式系统；尹 航（），男，硕士，研究方向为硬件电路设计；卢泽宇（），男，硕士，研究方向为海洋数据处理；李 萌（），女，博士，研究方向为海洋探测技术。