鄭壽慶，李 卓，李 兵，廖騰勇，鄭文景

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

0 引 言

某型艦船天線工作環(huán)境惡劣，使用時(shí)間和頻率高，工作時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)地采集其工作時(shí)間、水下深度等數(shù)據(jù)，便于掌握設(shè)備的使用情況和壽命，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以往一直采用人工記錄的方式，此方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)記錄的完整性、準(zhǔn)確性和真實(shí)性難以保證，不利于后續(xù)的分析與統(tǒng)計(jì)。

本文將提出一種基于 SDHC（Secure Digital High Capacity）卡和STM32F407微處理器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，不僅能完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)，而且數(shù)據(jù)查詢、管理與導(dǎo)出也非常方便，可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)艦船天線的日志記錄。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 SDHC存儲(chǔ)卡簡(jiǎn)介

SDHC卡作為新一代高容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體，最大容量可達(dá)32 GB，尺寸小，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸速度快，可熱插拔，目前已被廣泛地應(yīng)用于便攜式設(shè)備上。

其遵循SD V2.0規(guī)范，支持SD和SPI兩種工作模式，對(duì)嵌入式接口電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可方便地與SDHC卡相連，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

SDHC卡既可以采用SD模式，又可以采用SPI模式。其中SD模式采用六線制，使用CLK，CMD，DAT0～DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；SPI模式采用四線制，使用CS，CLK，DI，DO進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

SD模式相比SPI模式傳輸速度要快很多，但SD模式對(duì)接口電路要求比較高；大多數(shù)微處理器都配備了SPI硬件接口，其硬件連接相對(duì)簡(jiǎn)單，而且目前微處理器的處理速度越來(lái)越高，利用SPI模式大多都能滿足工程需要[1]。因此，在對(duì)SDHC卡讀寫(xiě)速度要求不太高的情況下，采用SPI模式是一個(gè)性價(jià)比較高的選擇。

不同模式下所使用的引腳及定義不同，本文只對(duì)SPI模式進(jìn)行介紹，SDHC卡在SPI模式下各引腳定義如表1所示。

表1 SDHC卡SPI模式引腳定義Tab.1 The definition of pins of SDHC card in SPI mode

1.2 STM32F407微處理器簡(jiǎn)介

STM32F407系列微處理器采用基于高性能32位RISC的ARM CortexTM-M3內(nèi)核，集成了DSP和FPU指令，工作主頻最高可達(dá)168 MHz，具有192 kB的SRAM和可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，通過(guò)APB總線連接了豐富、增強(qiáng)的外設(shè)和通信接口，功耗低，非常適合于控制和測(cè)試系統(tǒng)。

1.3 SPI模式接口電路設(shè)計(jì)

STM32F407微處理器[2]與SDHC卡電路連接示意圖如圖1所示，SDHC卡采用3.3 V電源供電，STM32F407微處理器SPI總線模式下，CS為單片機(jī)向SDHC卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為單片機(jī)與SDHC卡之間通信的時(shí)鐘信號(hào)，DI為SDHC卡接收單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào)線，DO為SDHC卡向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào)線，1腳和8腳在SD模式下使用，SPI模式可以不接。

圖1 STM32F407 與 SDHC 卡連接示意圖Fig.1 Design sketch map of the connection of STM32F407and SDHC card

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 SDHC卡初始化

SD卡啟動(dòng)時(shí)處于SD總線模式下，當(dāng)CS信號(hào)有效時(shí)接收到一個(gè)復(fù)位命令CMD0就進(jìn)入SPI模式。

STM32F407的SPI功能很強(qiáng)大，SPI時(shí)鐘最高可以到37.5 MHz，在SD卡剛剛初始化的時(shí)候，其時(shí)鐘頻率不能超過(guò)400 kHz，否則可能無(wú)法完成初始化。初始化以后，就可以將時(shí)鐘頻率設(shè)置到最大，但不可超過(guò)SD卡的最大操作時(shí)鐘頻率。

為使卡正常工作，在發(fā)送CMD0命令之前，要延時(shí)至少74個(gè)時(shí)鐘周期，目的是要確保SD卡電壓上升到正常工作電壓[3]。初始化流程圖如圖2所示。

圖2 SDHC 卡 SPI模式下初始化流程圖Fig.2 The flow chart of Initialization of the SDHC card in SPI mode

在初始化過(guò)程中，值得注意的是SD卡發(fā)送復(fù)位命令CMD0命令后，需要發(fā)送版本查詢命令CMD8。如果返回值為0x01，表示此卡支持V2.0版本，若返回值為0x05，則表示此卡支持V1.0版本。雖然已經(jīng)提前知曉SDHC支持V2.0版本，但程序中仍然需要對(duì)其版本進(jìn)行判斷，否則會(huì)出現(xiàn)卡無(wú)法正常工作的情況。

2.2 SDHC卡數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)操作

SDHC卡的讀寫(xiě)以塊為單位[4]。初始化完成后，發(fā)送CMD17可進(jìn)行SDHC卡的連續(xù)多塊讀操作或發(fā)送CMD24進(jìn)行SDHC卡的塊寫(xiě)操作。

向SDHC卡發(fā)送CMD17，收到有效應(yīng)答信號(hào)0x00后，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，每塊數(shù)據(jù)由起始令牌0xFE、有效數(shù)據(jù)和16位CRC校驗(yàn)位組成，在接收到起始令牌后，開(kāi)始接收有效數(shù)據(jù)，隨后接收2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。SDHC卡寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)過(guò)程類似，寫(xiě)數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖3 SDHC 卡寫(xiě)數(shù)據(jù)塊流程圖Fig.3 The flow chart of write data block of SDHC card

2.3 SDHC卡文件系統(tǒng)

為便于用戶使用，通常SDHC卡的數(shù)據(jù)需要在計(jì)算機(jī)上讀寫(xiě)，因此SDHC卡上的文件系統(tǒng)必須與計(jì)算機(jī)的文件系統(tǒng)一致。

2.3.1 FATFS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FATFS是一個(gè)完全免費(fèi)開(kāi)源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門(mén)為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，只需做簡(jiǎn)單的修改就可移植到多種平臺(tái)。FARFS具有良好的層次結(jié)構(gòu)，頂層為應(yīng)用層，在使用時(shí)只需要調(diào)用FATFS模塊提供的應(yīng)用接口函數(shù)即可，不需要深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的協(xié)議。FATFS模塊的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示[5]。

圖4 FATFS 層次結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hierarchical structure diagram of FATFS

中間層為FATFS模塊層，使用時(shí)直接將FATFS模塊提供的ff.c和ff.h文件包含到程序中，除非有必要，一般不需要修改即可使用。

底層接口包括底層存儲(chǔ)媒介接口和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。用戶應(yīng)根據(jù)不同的控制芯片，編寫(xiě)底層相應(yīng)的讀寫(xiě)接口函數(shù)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘函數(shù)。

2.3.2 FATFS 系統(tǒng)的創(chuàng)建

FATFS含有豐富的軟件資源，在使用時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注3點(diǎn)：

1）根據(jù)所使用的編譯器的數(shù)據(jù)類型，在integer.h里定義好數(shù)據(jù)的類型。

2）根據(jù)需求，在ffconf.h中對(duì)FATFS模塊的配置項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。

3）在diskio.c中進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，包括6個(gè)函數(shù)，如表2所示。

表2 底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)表Tab.2 Underlying driver function table

在使用FATFS的時(shí)候，必須先通過(guò)f_mount函數(shù)注冊(cè)一個(gè)工作區(qū)，才能開(kāi)始后續(xù)API的使用。

2.4 應(yīng)用要點(diǎn)

2 G以內(nèi)的SD卡屬于標(biāo)準(zhǔn)卡，2 GB以上的SD卡屬于大容量卡即SDHC卡，它們?cè)诘刂吩L問(wèn)形式上不同，標(biāo)準(zhǔn)卡在讀寫(xiě)操作時(shí)，讀寫(xiě)命令令牌中地址為字節(jié)地址，而SDHC卡只支持扇區(qū)讀寫(xiě)操作，扇區(qū)大小為512字節(jié)，因此SDHC卡中地址為扇區(qū)地址。

在某一塊要進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，最好先進(jìn)行擦除命令，這樣寫(xiě)入的速度能大大提高，進(jìn)行擦除操作時(shí)需按塊操作。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，艦船天線的數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜性等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理與分析方法在數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域顯得尤為重要，可以說(shuō)是決定最終信息是否有價(jià)值的決定性因素。

本文基于大數(shù)據(jù)理論和艦船天線的特點(diǎn)，提出了數(shù)據(jù)預(yù)處理、后處理及預(yù)測(cè)性分析方法和模型。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊采用構(gòu)建符合艦船天線使用特點(diǎn)的預(yù)處理模型的方法，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，選擇有效信息進(jìn)行存儲(chǔ)，節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

數(shù)據(jù)后處理模塊，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)前端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)的深度清理、數(shù)據(jù)變換及數(shù)據(jù)信息展示[6]。

預(yù)測(cè)性分析旨在從大數(shù)據(jù)中挖掘出具有規(guī)律性的特征，建立預(yù)測(cè)模型，然后將部分后處理模塊得來(lái)的數(shù)據(jù)代入預(yù)測(cè)模型，從而引出新數(shù)據(jù)，以預(yù)測(cè)未來(lái)的數(shù)據(jù)趨勢(shì)，此模塊對(duì)重點(diǎn)關(guān)注特性進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船天線關(guān)鍵部位的監(jiān)控和預(yù)警。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于SDHC卡的艦船天線的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理方案，該方案充分利用了SD卡接口簡(jiǎn)單、容量大、智能化程度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，采用高性能嵌入式芯片STM32F407微處理器與其配合使用，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)使用靈活，只需占用很少的系統(tǒng)資源，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀??；通過(guò)建立科學(xué)合理的數(shù)據(jù)模型對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和預(yù)測(cè)性分析，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的推廣價(jià)值。

目前該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)某型艦船天線控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，較好地解決了天線使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、時(shí)間長(zhǎng)、記錄和查詢復(fù)雜的問(wèn)題，為提高天線設(shè)備的可靠性發(fā)揮了重要作用。