魏來(lái)，周穗華，劉旭東

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033；2.海軍士官學(xué)校兵器系，安徽蚌埠233000)

基于SD卡的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏來(lái)1，周穗華1，劉旭東2

(1.海軍工程大學(xué)兵器工程系，湖北武漢430033；2.海軍士官學(xué)校兵器系，安徽蚌埠233000)

針對(duì)寬頻帶水聲信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間高速采集與實(shí)時(shí)記錄的難題，設(shè)計(jì)了以大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)的水聲信號(hào)高速采集與大容量實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用SD2.0協(xié)議和改進(jìn)的FAT32文件系統(tǒng)，重點(diǎn)解決了大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的難題。海洋實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，使用方便，工作可靠，能夠滿足工程需要，并具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，工程應(yīng)用前景廣闊。

聲學(xué)；SD卡；SD2.0；FAT32文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

1 引言

聲波是在海洋環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和通信的有效手段，在對(duì)海洋聲場(chǎng)進(jìn)行研究的過(guò)程中需要獲取大量的原始聲信號(hào)，為此需要水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在無(wú)人看守的復(fù)雜水下環(huán)境中，并同時(shí)進(jìn)行高速高精度數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)記錄。惡劣的工作環(huán)境，繁重的工作任務(wù)，對(duì)其性能提出了很高的要求，需要進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用Flash芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì)，該芯片容量?。ㄒ话闳萘坎怀^(guò)8Mb），價(jià)格高（尤其是大容量芯片），靈活性低（多采用焊接方式），難以滿足水聲數(shù)據(jù)采集的要求。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文提出了采用大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，基于SD2.0和改進(jìn)的FAT32文件系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以解決水聲數(shù)據(jù)高速采集與大容量實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的工程應(yīng)用難題。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

本文討論的高速數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，需要裝配在特制的測(cè)量倉(cāng)體內(nèi)，并長(zhǎng)時(shí)間工作在無(wú)人看守的復(fù)雜水下環(huán)境中，以對(duì)海洋環(huán)境中0～5 kHz的水聲信號(hào)進(jìn)行高速高精度數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)記錄，因此該系統(tǒng)要滿足如下各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求：

（1）保證單通道50 K以上的采樣率和16位的采樣精度；

（2）保證連續(xù)存儲(chǔ)的時(shí)間要大于20 h，并具備按預(yù)定時(shí)段記錄的能力；

（3）較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性，發(fā)生意外時(shí)能夠保證數(shù)據(jù)的完整并具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力；

（4）滿足一定的尺寸體積要求；

（5）有較強(qiáng)的人機(jī)交互功能，便于用戶對(duì)系統(tǒng)的操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由前端信號(hào)調(diào)理與A/D采集模塊、通信模塊、主控模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊和供電模塊等部分組成。由傳感器輸入的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后，進(jìn)入A/D模塊進(jìn)行模數(shù)采集；采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線被傳輸至主控模塊；主控模塊作為系統(tǒng)的控制核心，接受A/D模塊采集到的數(shù)據(jù)，并將其實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SD卡；此外，主控模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)的串口通信，以方便操作者通過(guò)人機(jī)交互模式對(duì)系統(tǒng)的工作起止時(shí)間、文件存儲(chǔ)模式等參數(shù)進(jìn)行預(yù)置并讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)；系統(tǒng)供電模塊是由電池組輸出，通過(guò)穩(wěn)壓濾波模塊為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。

A/D采集模塊采用了美國(guó)CYGNAL公司的C8051F060單片機(jī)[1]。該單片機(jī)作為一款真正意義上的片上混合系統(tǒng)，其豐富的外設(shè)模塊不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的訪問(wèn)。

主控制器模塊采用了基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2368處理器[2]。該處理器可在72MHz頻率下運(yùn)行，內(nèi)部集成有4個(gè)UART，1個(gè)SPI接口，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制模塊的要求。此外，該處理器還支持SD/MMC卡接口，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)與SD卡的連接。

存儲(chǔ)模塊采用的是SD存儲(chǔ)卡。作為一種微型、低功耗、可移動(dòng)的FLASH存儲(chǔ)卡[3]，SD卡與獨(dú)立的FLASH芯片相比增加了智能保護(hù)機(jī)制，具有更高的傳輸速率和更大的存儲(chǔ)容量，安全性高、使用方便，可廣泛用于各種便攜式存儲(chǔ)設(shè)備，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)高速實(shí)時(shí)大容量存儲(chǔ)的需求。

3 大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

3.1 SD2.0協(xié)議

數(shù)據(jù)通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是利用SD卡實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵，其主要包括兩個(gè)部分，即SD卡引腳的定義與連接和通信協(xié)議的選擇與實(shí)現(xiàn)。

SD卡采用的是基于9針的通信接口模式，分別為1個(gè)命令引腳、1個(gè)時(shí)鐘引腳、4個(gè)數(shù)據(jù)引腳和3個(gè)電源引腳，各引腳的具體定義見(jiàn)表1（基于SD工作模式）。

表1 SD卡引腳定義

SD卡各引腳與主控制器間的具體接口電路見(jiàn)圖2，電源通過(guò)上拉電阻R18-R23給SD卡供電，以提高主控制器的驅(qū)動(dòng)能力。

圖2 SD卡接口電路圖

SD卡采用的通信協(xié)議有SD1.0和SD2.0兩種，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是SD2.0，后者在讀寫速度和存儲(chǔ)容量等指標(biāo)上均高于前者，其具體參數(shù)如下：

（1）具備12.5 MB/s和25 MB/s兩種接口速度，前者工作在0～25 MHz的默認(rèn)時(shí)鐘狀態(tài)，后者工作在50 MHz的高速時(shí)鐘狀態(tài)；

（2）支持2 GB-32 GB的大容量存儲(chǔ)。

按照SD2.0協(xié)議的規(guī)定，系統(tǒng)采用SD工作模式和單字節(jié)傳輸模式對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫操作和數(shù)據(jù)包傳輸，以提高讀寫速度和可靠性。如果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)傳輸是按照正常模式進(jìn)行，則先發(fā)送低有效位，再發(fā)送有效位，對(duì)于個(gè)別反序存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，則反之[4]。

SD2.0協(xié)議的特點(diǎn)之一是支持對(duì)大容量SD卡的讀寫，其讀寫過(guò)程與SD1.0協(xié)議的區(qū)別主要體現(xiàn)在卡的識(shí)別模式操作過(guò)程中，其操作流程見(jiàn)圖3。在系統(tǒng)上電后，主控制器首先發(fā)送GO_IDLE_STATE(CMD0)指令使系統(tǒng)復(fù)位，并使所有SD卡處于等待命令輸入的狀態(tài)；然后發(fā)送SEND_IF_COND(CMD8)指令以確認(rèn)主控制器提供的電壓和卡的電壓是否兼容（該指令是2.0協(xié)議中新增加的內(nèi)容，是在發(fā)送ACMD41命令之前必須執(zhí)行的一條指令）；隨后發(fā)送SD_SEND_OP_COND(ACMD41)指令以識(shí)別和卸載不兼容電壓的SD卡，并通過(guò)判斷返回值和CCS標(biāo)志位來(lái)確認(rèn)是否是新標(biāo)準(zhǔn)大容量卡；最后系統(tǒng)通過(guò)CMD2，CMD3指令完成SD卡的識(shí)別模式操作過(guò)程，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式（該模式與SD1.0協(xié)議操作相同）。

圖3 SD卡初始化和識(shí)別流程（SD模式）

3.2 FAT32文件系統(tǒng)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了便于SD卡在PC機(jī)上進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，需要為SD卡選擇合適的文件系統(tǒng)。在目前廣泛使用的FAT16和FAT32文件系統(tǒng)中，由于FAT32[5]可支持32GB的最大分區(qū)容量（FAT16只能支持2GB的最大分區(qū)容量），故被本設(shè)計(jì)所選用。

FAT32文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息一般由MBR，DBR，F(xiàn)AT，F(xiàn)DT和數(shù)據(jù)區(qū)5個(gè)部分組成。FAT32的分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 FAT32的分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

MBR（Master Boot Record），即主引導(dǎo)記錄位于0柱面0磁頭1扇區(qū)，記錄了第一磁盤分區(qū)的入口和剩余磁盤分區(qū)的入口信息、第一部分的文件系統(tǒng)格式、起始扇區(qū)號(hào)和大小。

DBR（DOS Boot Record），即系統(tǒng)引導(dǎo)記錄位于邏輯0扇區(qū)，該區(qū)的BPB（Bios Parameter Block）參數(shù)塊記錄著分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件存儲(chǔ)格式、硬盤介質(zhì)描述符、根目錄大小、FAT個(gè)數(shù)，分配單元大小等重要參數(shù)，通過(guò)這些目錄可以找到FAT和根目錄入口。

FAT（File Allocation Table），即文件分配表。它從邏輯1扇區(qū)開(kāi)始，是文件管理系統(tǒng)用來(lái)記錄每個(gè)文件存儲(chǔ)位置的表格，它以鏈表的方式存儲(chǔ)簇號(hào)，只要知道了一個(gè)文件存儲(chǔ)位置的首簇號(hào)，就可以利用FAT找到整個(gè)文件的存儲(chǔ)位置。

FDT（File Directory Table），即文件目錄表。它由32B的文件目錄項(xiàng)組成，記錄整個(gè)磁盤上所有文件的有用信息，包括文件名、文件屬性、文件的修改時(shí)間和文件的長(zhǎng)度等，當(dāng)根目錄上存儲(chǔ)的文件超過(guò)當(dāng)前FDT所能記錄的數(shù)量后，操作系統(tǒng)將為文件系統(tǒng)增加一個(gè)或多個(gè)簇的存儲(chǔ)空間。

3.3 改進(jìn)的FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何在FAT32文件系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)。雖然主控制器可以在SD卡上建立標(biāo)準(zhǔn)的FAT32文件系統(tǒng)，但其實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜，需要主控制器對(duì)每次數(shù)據(jù)讀寫過(guò)程進(jìn)行大量的操作，難以滿足實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的要求。因此，本文提出了準(zhǔn)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，即對(duì)FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與簡(jiǎn)化，以在存儲(chǔ)性能不變的前提下，提高存儲(chǔ)速度，滿足實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)的要求。

準(zhǔn)文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是在標(biāo)準(zhǔn)FAT文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)改變文件讀寫順序來(lái)以提高存儲(chǔ)速度。即在單個(gè)扇區(qū)寫入時(shí)省去文件打開(kāi)、尋找文件目錄信息、查看FAT表、計(jì)算讀寫扇區(qū)地址、更新FAT表、更新文件目錄信息等內(nèi)容；在SD卡的初始化過(guò)程中就通過(guò)對(duì)MBR，DBR區(qū)的讀取和計(jì)算得到FAT表的數(shù)量和起始地址、根目錄的起始地址、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的起始地址；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)全部通過(guò)絕對(duì)地址遞增的方式來(lái)確定要讀寫扇區(qū)的絕對(duì)地址；在所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后，通過(guò)計(jì)算最后一個(gè)寫入扇區(qū)地址與數(shù)據(jù)區(qū)起始扇區(qū)地址的差值得到寫入數(shù)據(jù)的總數(shù)，以此來(lái)更新FAT表和文件目錄的相關(guān)信息。

在改進(jìn)的FAT32文件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，SD卡模塊的軟件設(shè)計(jì)可分為三層，見(jiàn)圖4。

圖4 SD卡軟件分層結(jié)構(gòu)

底層是SD卡驅(qū)動(dòng)程序，它完成與SD卡大部分硬件接口命令有關(guān)的操作，包括SD卡初始化、SD卡按LBA方式讀寫數(shù)據(jù)、讀取SD卡狀態(tài)等。

圖5 FAT32文件系統(tǒng)寫文件流程圖

中間層是改進(jìn)的SD卡文件系統(tǒng)，該層是實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)文件系統(tǒng)相兼容的核心，完全按照PC機(jī)文件系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)，包括存儲(chǔ)文件的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（系統(tǒng)引導(dǎo)區(qū)、硬盤引導(dǎo)區(qū)、文件分配表FAT、文件目錄表FDT、子目錄等），以及文件的各種操作。

頂層是留給應(yīng)用程序的API函數(shù)，用戶可以通過(guò)調(diào)用文件系統(tǒng)的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。這些API函數(shù)包含對(duì)SD卡操作的高級(jí)命令，寫文件、更新FAT、更新目錄信息等。

SD卡寫文件子程序流程見(jiàn)圖5。

在執(zhí)行SD卡數(shù)據(jù)寫操作之前，首先應(yīng)確定當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的扇區(qū)地址，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置，通過(guò)在文件系統(tǒng)初始化程序中得到的SD卡物理參數(shù)，即可以利用在創(chuàng)建數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)設(shè)置的全局變量確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的扇區(qū)地址。在確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址后，調(diào)用寫扇區(qū)子程序，同時(shí)更新確定地址的全局變量，將一個(gè)數(shù)據(jù)塊（大小規(guī)定為512B）寫入扇區(qū)，即完成一次寫操作。

在寫文件子程序中，每寫完一個(gè)扇區(qū)，都需進(jìn)行文件目錄信息的檢查與更新，即在每次寫操作完成后，首先將扇區(qū)個(gè)數(shù)加1，然后檢查其能否被一個(gè)簇的扇區(qū)數(shù)整除，根據(jù)檢查結(jié)果確定文件目錄信息是否需要更新。如果扇區(qū)個(gè)數(shù)能被整除，則繼續(xù)判斷FAT是否溢出，若都滿足則調(diào)用更新目錄子程序更新目錄信息。該程序首先讀出目錄信息并進(jìn)行修改，然后再按照FAT32文件目錄格式將新的目錄信息寫回根目錄區(qū)，即完成一次目錄信息的檢查與更新。需要說(shuō)明的是，對(duì)FAT和目錄的寫入操作都是基于寫扇區(qū)的操作，調(diào)用相同的寫扇區(qū)函數(shù)向扇區(qū)中寫入一定的內(nèi)容，只是輸入函數(shù)的參數(shù)不同。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，軟件采用模塊化編制與管理，系統(tǒng)軟件流程見(jiàn)圖6。

該系統(tǒng)軟件主要由以下模塊組成：

4.1 系統(tǒng)初始化程序

（1）通信模塊的初始化，主要用來(lái)配置SPI總線所占用的具體引腳以及SPI的主、從模式和傳輸速度等參數(shù)，以及串口通信的波特率、通信格式等相關(guān)配置；

（2）數(shù)據(jù)采集模塊的初始化，主要用來(lái)配置該模塊的采樣時(shí)鐘頻率、基準(zhǔn)電壓、開(kāi)啟轉(zhuǎn)換方式等參數(shù)；

（3）準(zhǔn)文件系統(tǒng)初始化程序，用于獲取文件系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)參數(shù)；

（4）主控制器中DMA控制器的初始化，主要用來(lái)配置DMA的工作方式和地址等參數(shù)。

4.2 SD卡底層驅(qū)動(dòng)程序

（1）SD卡命令模塊，通過(guò)此模塊的調(diào)用可以向SD卡輸入各種命令，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)SD卡的工作狀態(tài)；

（2）SD卡數(shù)據(jù)的讀寫模塊，在功能命令輸入之后，主控制器可以調(diào)用此模塊對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫操作。

4.3 準(zhǔn)文件系統(tǒng)操作程序

（1）文件系統(tǒng)的寫入程序，用于將ADC模塊采到的數(shù)據(jù)以文件系統(tǒng)形式存儲(chǔ)到SD卡；

（2）FAT表、根目錄更新程序，在數(shù)據(jù)采集完成以后修改文件系統(tǒng)的相關(guān)信息，使PC機(jī)能夠正確識(shí)別SD卡上的文件。

4.4 數(shù)據(jù)采集程序

利用數(shù)據(jù)采集模塊完成前端模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并通過(guò)SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

[1]潘琢金.C8051Fxxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]周立功.深入淺出ARM7[M].廣州：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2006.

[3]SanDisk Secure Digital Card Product Manual[R].SanDisk Corporation，2004.

[4]SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification Version 2.00[R].Matsushita Electric Industrial Co,Ltd，SanDisk Corporation，Toshiba Corporation，2004.

[5]宋群生，宋亞瓊.硬盤扇區(qū)讀寫技術(shù)-修復(fù)硬盤與恢復(fù)文件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]劉素花.SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用[J].海洋科學(xué)，2009，33（3）：16～20.

[7]張洪剛.基于FPGA和SD卡的水聲信號(hào)高速采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2009，32（1）：208～212.

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以大容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)的水聲信號(hào)高速采集與實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用SD2.0協(xié)議和改進(jìn)的FAT32文件系統(tǒng)，成功地解決了大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)3 Mb/s的SD卡寫入速率，存儲(chǔ)容量最大可達(dá)到32 Gb，單通道采樣率最高可到1 MHz。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的人機(jī)交互能力，其采樣頻率、采樣通道數(shù)、記錄方式等參數(shù)均可以利用PC機(jī)進(jìn)行設(shè)定和顯示。此外，該系統(tǒng)通過(guò)改變系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)容，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要，具備較強(qiáng)的通用性。

目前該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某海區(qū)的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，使用方便，工作可靠，能夠滿足工程需要。作為一款高速大容量實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的通用性，工程應(yīng)用前景廣闊。

Abstract：Aiming at the difficulty in continuous high speed acquisition and real time store of broad band underwater acoustic signals,a design of high speed acoustic signal acquisition,large capacity and real time store system is proposed,which is based on high capacity SD card.The system solves the problem of real time store of high capacity data by the application of adjusted FAT32 file system and high capacity SD card in embedded system.The results of experiment showed that the system would be well designed,easy to use and reliable.With its strong versatility and stability,it can meet the need of engineering and has a bright future in the field of engineering.

Key words:acoustics;SD card;SD2.0;FAT32 File System;data acquisition

Design of Underwater Acoustic Signal Acquisition System Based on SD Card

WEI Lai1,ZHOU Sui-hua1,LIU Xu-dong2

（1.Department of Weaponry Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan Hubei 430033,China;2.Department of Weaponry,Navy Petty Officer Academy,Bengbu Anhui 233000,China）

TJ630

B

1003-2029（2010）02-0051-05

2009-12-24

國(guó)防科技預(yù)研項(xiàng)目（513040204）.

魏來(lái)(1979-)，男，遼寧大連人，博士生，主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。