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(海軍工程大學 導航工程系 武漢，430033)

目前，艦船在出海航行時參數(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)辨識全面提供依據(jù)。針對這一問題，設(shè)計便捷、高效、實用的艦舵參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實時采集、存儲、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)計及將數(shù)據(jù)存儲至大容量的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)計以C8051F500單片機為控制器，SD卡作為安全存儲介質(zhì)，GPRS-DTU為傳輸設(shè)備，對艦船自動舵的航向、舵角、位置等參數(shù)進行采集、存儲和傳輸。以C8051F500單片機為主控器的采集電路對艦舵參數(shù)進行采集，通過SPI訪問方式將數(shù)據(jù)寫入大容量存儲介質(zhì)SD卡中，利用GPRS-DTU無線傳輸設(shè)備根據(jù)串口通信協(xié)議將存儲在SD卡中的參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h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

參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包括單片機的選取及其外圍電路設(shè)計，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)動電路，R232/422串口電路、SD卡SPI模式與單片機連接電路等

2.1 主控制器的選取

選用C8051F500單片機，片內(nèi)的JTAG調(diào)試電路允許對MCU進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速在線調(diào)試。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。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單片機開發(fā)軟件uVision集成開發(fā)環(huán)境。C8051F500單片機不僅能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能，還能很容易地實現(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方面。

1)單片機內(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)具有可擴展的中斷系統(tǒng)，支持18個中斷源，2個優(yōu)先級，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存儲器，不需要擴展存儲器，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，支持斷點、單步調(diào)試。

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

2.2 存儲介質(zhì)

SD卡包含兩個基本部分：NAND型FLASH存儲模塊和內(nèi)置控制器。FLASH存儲模塊用來以扇區(qū)(512B)為單位存儲數(shù)字信息，控制器用來實現(xiàn)與主機的接口及控制數(shù)據(jù)在存儲模塊中的傳輸[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卡通信時多采用此模式；而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn(DI)、DataOut(DO)進行數(shù)據(jù)通信,由于許多51內(nèi)核單片機已經(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現(xiàn)SPI協(xié)議通訊，所以采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用SPI模式[4]。本系統(tǒng)設(shè)計所采用的C8051F500單片機內(nèi)部已經(jīng)提供了SPI總線接口，所以不需要進行軟件模擬。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)動的輸入輸出

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

圖2 單片機與SD卡連接示意

2.3 傳輸方式

系統(tǒng)采集的實驗參數(shù)數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，可以由兩種方式傳送至PC機：①將SD卡插入PC機的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)傳送至遠端PC機。由于艦船遠海航行時沒有通信信號，只能在艦船近海航行或者靠近碼頭時傳送數(shù)據(jù)，而通過無線傳輸能節(jié)省大量的時間、資源和資金?；诜绞?)具有延時性、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程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通訊方式，具有運行成本低、實時性好、可靠性高、不受地域限制等優(yōu)點，更重要的是GPRS網(wǎng)絡(luò)是由移動運營商投資，可以節(jié)省巨額的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用，免除了網(wǎng)絡(luò)的日常修改和維護，可使系統(tǒng)建設(shè)及維護成本大大降低。

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GPRS無線模塊，提供標準RS232/485數(shù)據(jù)接口，可以方便連接RTU、PLC、工控機等設(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

DTU的主要功能如下。

1)永遠在線。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監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)保持通訊鏈路暢通。

2)自動撥號。當由于網(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，DTU能夠自動發(fā)起撥號，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，到達串口端是嚴格按照數(shù)據(jù)原碼輸出的。

4)標準UDP/TCP數(shù)據(jù)傳輸。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)的特點選擇使用通訊協(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和支持動態(tài)域名。DTU不但支持與固定IP建立連接，還能夠支持動態(tài)域名解析。

3 軟件設(shè)計

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

1)C8051F500單片機硬件初始化及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，同時檢測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)存儲結(jié)構(gòu)即FATFS文件系統(tǒng)初始化，實現(xiàn)SD卡中數(shù)據(jù)能在PC機正常讀。

5)利用GPRS-DTU通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)在遠端PC機上的接收和發(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卡存儲方式運用到艦舵參數(shù)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)中，解決了大量數(shù)據(jù)存儲的需求，簡化了數(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)辨識及其他艦船運動模型參數(shù)辨識提供實驗依據(jù)；另一方面建立一個完整的關(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，為將來的艦船實驗研究提供重要依據(jù)，優(yōu)化自動舵的控制率。

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

[2] 段 勇.基于MSP430單片機的SD卡讀寫[J].生物醫(yī)學工程研究,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的遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計[D].大連：大連海事大學,2008.