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第36卷 增刊Ⅰ2008年 10月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版)J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natrual Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ Oct. 2008收稿日期:2008207215.作者简介:杜小璐(19842),女,硕士研究生,E 2mail :juliadxl @126.com.工业现场实时监测数据的存储系统设计杜小璐1 朱明富1 王 琰2(1华中科技大学控制科学与工程系,湖北武汉430074;2上海交通大学自动化系,上海200240)摘要:在比较常规的工业数据存储方法的基础上,提出了一种基于ARM 的工业现场实时监测数据Flash 存储系统.该系统以ARM7架构的L PC2368作为控制处理器,SD 卡作为存储器,采用FA T32文件系统,具有结构紧凑、稳定可靠、抗干扰性强、存储速度高等特点.文中对系统硬件电路和软件设计进行了分析,给出了主要部分的电路图和软件说明.所设计的存储设备控制器结构简单、可靠性高,具有广泛的工业应用前景.关 键 词:工业现场;数据存储技术;ARM 芯片;模块化;SD 卡中图分类号:TP242  文献标识码:A   文章编号:167124512(2008)S120281203Design of real 2time industrial data detection storage systemD u X i aol u 1 Zhu M i ng f u 1 W ang Yan2(1Department of Control Science and Engineering ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China ;2Department of Automation ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200240,China )Abstract :Based on common industry data storage app roaches ,a kind of spot real 2time indust rial in 2spect data detection storage system based on ARM7technology is int roduced.In system L PC2368,an ARM7is used as a cont roller while t he SD card is used as storage ,which using FA T32file system.The system is highly compact ,stable ,anti 2jamming ,and has high storage speed.The hardware and software designed are analyzed ,t he core circuit diagram is given and t he program codes are illust ra 2ted.The cont roller has simple st ruct ure ,good reliability and of great p ractice value.K ey w ords :data storage technology ;indust rial field ;advanced RISC machines (A RM );modulariza 2tio n ;SD (scan disk )card  在工业控制中,有大量从现场采集到的数据通过总线实时传递到控制系统,这些数据反映了设备运行的状态和性能参数,对它们进行计算、分析和存储,可为系统监测与控制提供决策依据[1].通常,工业现场噪声大、振动强、干扰多,环境比较恶劣,因此,对控制系统的鲁棒性要求也较高.本文以矿井水情监测与自动抽排控制系统为应用背景,对适用于恶劣环境下的工业现场实时检测数据的存储方法和存储结构进行研究.由于工作环境为矿井,环境复杂,现场干扰因素多,对系统稳定性要求很高,故选用功耗低、性能稳定、体积小巧、更易于抵抗震动和粉尘等外界干扰的A RM 架构处理器.近几年,随着半导体存储技术的不断发展,基于Flash 存储技术的移动存储产品如compact flash (CF ),smart media (SM ),multi media card (MMC ),memory stick (MS )以及scan disk (SD )等被广泛应用.其中SD 卡相对价格最低、最普及、容量大,且同时具有体积小、功耗低的优势[2],是理想的高性价比移动存储器.本研究设计的控制器主要用于工业控制现场的数据存储,对控制器的稳定性、抗震性、便捷性、低功耗等性能都有较高要求.通过分析和比较,基于降低成本和提高易用性的考虑,选择飞利浦公司的L PC2368芯片(A RM7系列产品)作为控制器,采用FA T32文件系统[3],通过CAN 总线实现现场数据的实时通信,以SD 卡作为数据存储设备,构成具有实时通信和存储功能的控制装置.1 系统硬件设计1.1 系统硬件结构SD 卡作为Flash 存储器的代表,不仅具有可擦写、可编程的优点,而且写入数据断电后不易丢失[4].基于SD 卡的种种优点,本文设计的存储系统以SD 卡作为数据存储器,使用A RM 芯片中UA R T (universal asynchrono us receiver/t rans 2mitter )作为与上位机通信的模块传输数据,通过J TA G 接口下载调试程序,使用SPI (serial pe 2rip heral interface )总线与芯片传输数据.系统原理结构如图1所示.其中,L CD 为模拟工控计算机的显示器,用来显示存储器内的数据情况.本系统实现的功能为:通过CAN总线传输图1 系统原理结构图实际工业控制中采集到的数据,由ARM 芯片L PC2368进行数据处理,在L CD 上显示实时系统信息,SD 卡作为存储器完成数据、配置和日志的存取.系统通过键盘进行操作和人机交互同时,可通过按键对存储器进行文件操作,由L CD 显示操作状态、存储器状态以及数据内容.1.2 控制器接口电路SD 卡的通信模式有两种:SD 模式和SPI 模式,前者速度快(4bit 并行数据总线),使用所有的信号线;后者速度较慢(数据以单线传输),但所使用的信号线较少,节省电路空间.SPI 总线是一种三线同步总线,因其硬件功能很强,所以,与SPI 有关的软件就相当简单,使CPU 有更多的时间处理其他事务[5].由于大部分微处理器都有SPI 接口而没有SD 总线接口,如果采用I/O 口模拟SD 总线,不但增加了软件的开销,而且对大多数微处理器而言,模拟的SD 总线远不如真正的SD 总线速度快,那么将大大降低总线数据传输的速度[6],故本设计使用SPI 模式.L PC2368芯片集成了对SD 卡的控制和数据传输管脚,本设计的接口电路因此相对比较简单.如图2所示,4个管脚P2-11,P0-22,P2-12,P2-13用于数据传输,时钟信号由P0-19脚引出,控制命令信号由P0-20脚引出.(a )开关电源电路(b )槽接线电路图2 SD 卡接口电路2 系统软件设计本文设计的存储系统的开发软件为Keilμvison3.0,使用配套的J TA G 调试器U 2link 在线仿真调试.程序主要用C 语言写成,采用模块化设计思想,每一模块完成相对单一的功能,由主程序调用各模块中的函数,使系统软件具有较好的可移植性和可扩充性,调试也比较方便.该程序用到的主要功能模块如下:UA R T.c 为串口通信函数模块,包括通信接口部分的初始化、传输速率控制等功能;KE Y.c 为按键函数模块,包括按键初始化和按键判断等功能;IRQ.c 为中断函数程序模块;TIM ER.c 为控制时钟的程序模块;WD T.c 为看门狗程序模块;CAN.c 为现场总线模块,用于传送工控现场・282・  华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第36卷的数据;L CD.c 为液晶显示屏控制模块,包括初始化和字体显示等功能函数;SD.c 为SD 卡文件系统功能模块,包括初始化函数和读、写、擦除、格式化等功能函数.SD 卡初始化流程如图3所示.图3 SD 卡初始化流程图SD 卡文件系统模块由3部分组成:一部分是Flash 存储系统配置文件;一部分是底层通信协议函数;另一部分是文件系统功能函数.这3个部分可以分别看作是硬件配置层(serial.c ,R TA -Config.c ,File -Co nfig.c ,R TL FS.lib )、命令层(MCl.c )和应用层(SD.c ).存储系统主要用到的文件系统功能在SD.c 中实现,底层通信部分主要在MCI.c 中实现.这部分功能包括数据和命令的循环冗余校验(CRC )、设定传输速率、设定寻址方式等通信协议设置.系统硬件配置文件则来自于Keil 开发软件自带的一些文件,包括serial.c (用于控制高速同步串口的硬件配置文件)、R TA -Config.c (实时功能配置文件)、File -Config.c (用户Flash 存储设备配置文件)以及库文件R TL FS.lib (Flash 文件系统使用的库文件).本设计完成的存储控制系统可以单独使用,也可以配置在别的工业控制系统中作为整个系统的一部分,使用起来方便灵活.除了文中讨论的主要模块之外,还可根据系统对数据采集、传输和存储的不同要求,增加其他模块,如对于要将系统数据传输到网络的情况,还会使用网络接口转换模块等.不论工业应用的系统具体需求如何,在使用处理器芯片不变的情况下,只要稍加变动,本文设计的存储系统都能直接使用.3 结论本文设计了工业现场实时监测数据的存储控制系统,该存储系统具有稳定的存储状态、较高的存储速度以及FA T32文件系统功能.从算法上解决了如何应对突发的中断、数据重传、数据缺失、数据安全的问题,以及由于干扰导致数据接收错误要求查错和纠错等问题,在存储稳定性能方面考虑得比较周全.本系统适用于几乎所有的工业现场,尤其适用于环境恶劣的矿井、基建工地、水利设施、火电厂、炼钢车间、机械制造厂等工业现场.嵌入式系统的发展主要体现在芯片技术的进步及在支持芯片的算法与软件的进步上[7].本文设计的存储系统只针对单一存储设备的控制,实际上将多个SD 卡连接起来作为存储阵列代替硬盘工作也是可行的.由于现在的Flash 存储设备成本降低以及存储容量扩大,使用可插拔存储设备比硬盘具有更好的抗震效果,在环境复杂多变的工控领域有着良好的应用前景和发展空间.参考文献[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M ].北京:清华大学出版社,1999.[2]段 勇,陈真诚,宋 含.基于MSP430单片机的SD卡读写[J ].生物医学工程研究,2008,26(4):3472350.[3]邓 剑.FA T 文件系统原理及实现[J ].计算机与数字工程,2005,33(9):1052108.[4]周立功.ARM 嵌入式系统软件开发实例[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2006.[5]李驹光.ARM 应用系统开发详解[M ].2版.北京:清华大学出版社,2004.[6]周立功.ARM 嵌入式系统基础教程[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[7]沈绪榜.嵌入式计算机系统的展望[J ].单片机与嵌入式系统应用,2001(1):526.・382・增刊Ⅰ  杜小璐等:工业现场实时监测数据的存储系统设计    

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