徐小凱，金華標(biāo)

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

隨著國內(nèi)船舶運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，船舶大氣污染物排放量顯著增加。在當(dāng)前日益嚴(yán)格的大氣污染防治形勢(shì)下，大幅減排船舶污染物、進(jìn)行有效的排放監(jiān)測(cè)監(jiān)管的需求極為迫切。[1]針對(duì)這一問題，武漢理工大學(xué)開展排放物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，并完成了內(nèi)河船機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件搭建及網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)平臺(tái)的開發(fā)。[2]然而，內(nèi)河船機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線傳輸是通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，對(duì)于非遠(yuǎn)洋類船舶[3]，由于在中國的近海范圍和大多數(shù)內(nèi)河航區(qū)上移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已較為發(fā)達(dá)，因而可以通過移動(dòng)通信[4]進(jìn)行無線傳輸。但是船舶在偏遠(yuǎn)的內(nèi)河航區(qū)行駛時(shí)會(huì)有信號(hào)較差或沒有信號(hào)的情況，這將會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失和不連續(xù)。[5-6]針對(duì)這種情況，本文介紹了一種基于利用外置SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存和恢復(fù)的方法，并通過合理的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

1 內(nèi)河船機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

內(nèi)河船機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示，其由數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊用于獲取主機(jī)ECU和傳感器的數(shù)據(jù)，可采集的信號(hào)包括：模擬信號(hào)(4～20 mA)、數(shù)字信號(hào)(控制局域網(wǎng)(CAN)總線/串行總線)，并重定義協(xié)議后以CAN擴(kuò)展幀形式匯總在CAN總線上。

圖1 內(nèi)河船機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體原理框圖

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于解析數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，此處選用EC20-CER2.0模塊(以下簡稱EC20)，EC20為嵌入式的4G通信模塊，與主控芯片(MCU)通過串口進(jìn)行通信。與數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN總線進(jìn)行通信后，MCU解析打包并通過控制EC20經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至岸基軟件管理平臺(tái)。[7-8]系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若船舶行駛至信號(hào)較弱的航區(qū)，MCU判斷信號(hào)差而無法傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)將儲(chǔ)存至外置SD卡中，當(dāng)判斷信號(hào)強(qiáng)度恢復(fù)后，數(shù)據(jù)恢復(fù)發(fā)送。

1.2 系統(tǒng)電氣連接

系統(tǒng)通過24 V開關(guān)電源進(jìn)行供電，數(shù)據(jù)采集模塊安裝在機(jī)艙內(nèi)和船機(jī)診斷接口(OBD)或傳感器相連，其中采集模塊采集的數(shù)據(jù)包括機(jī)艙溫濕度、排氣管溫度和排氣管煙氣參數(shù)(模擬量采集)；通過OBD接口獲得主機(jī)機(jī)旁控制單元(ECU)的相關(guān)參數(shù)、排氣管NOx濃度。[9]無線數(shù)據(jù)傳輸模塊由于需要向室外引出天線，故安裝在駕駛室，并通過CAN總線和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通訊，嵌入在無線數(shù)據(jù)傳輸模塊上的EC20通過串口和MCU通信，其有2個(gè)作用，一個(gè)是通過其內(nèi)置接收機(jī)獲取實(shí)時(shí)的定位數(shù)據(jù)，一個(gè)則是通過指令以TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至岸基。系統(tǒng)硬件連接示意圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件連接示意圖

2 SD卡儲(chǔ)存模塊

2.1 硬件設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)SD卡有9個(gè)引腳，工作電壓約為3.3 V，支持2種串行通信模式：SD模式(使用SDIO接口，一種外設(shè)接口)、SPI模式(使用SPI接口，一種串行接口)。系統(tǒng)可以選擇以上任一模式：SPI模式使用SPI通道且電路相對(duì)簡單，但速度較慢(kb級(jí))；SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，用于數(shù)據(jù)量大且速度要求較快的場合(Mb級(jí))，為滿足傳輸速率要求，使用SDIO接口。

MCU自帶標(biāo)準(zhǔn)的SDIO接口，SD卡連接原理圖見圖3。圖3中，SDIO_均為引腳代號(hào)，左半部分為SD卡及管腳，右半部分為主芯片及擴(kuò)展管腳，SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2和SDIO_D3為SD數(shù)據(jù)傳輸線引腳，SDIO_CK為同步時(shí)鐘線，SDIO_CMD為命令引腳線。使用自帶的SDIO接口驅(qū)動(dòng)，在4位模式下最高通信速度可達(dá)48 MHz(分頻器旁路時(shí))，最高每秒可傳輸24 M字節(jié)數(shù)據(jù)(分頻系數(shù)為2)。

圖3 SD卡連接原理圖

SDIO支持3種總線模式，復(fù)位后，默認(rèn)情況下，僅一位用于數(shù)據(jù)傳輸。初始化后，主機(jī)可以改變數(shù)據(jù)總線的寬度，包括4位傳輸或8位傳輸用于數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

SDIO模式下，SD卡和MCU的通信采用應(yīng)答機(jī)制，單片機(jī)每發(fā)送一個(gè)命令，SD卡都會(huì)返回一個(gè)應(yīng)答，以告知主機(jī)該命令的執(zhí)行情況，或者返回主機(jī)需要獲取的數(shù)據(jù)。

1)初始化設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)SDIO驅(qū)動(dòng)SD卡，利用相關(guān)指令對(duì)SD卡進(jìn)行初始化，也為數(shù)據(jù)的讀寫做準(zhǔn)備。

SD卡初始化流程原理圖如圖4所示，MCU上電后發(fā)送CMD0命令(對(duì)SD卡進(jìn)行軟復(fù)位)。之后發(fā)送CMD8命令(用于區(qū)分SD卡的版本，不同版本卡容量不同)，且只有V2.0及以后版本的SD卡才支持CMD8命令。在發(fā)送CMD8命令的時(shí)候，其可以設(shè)置VHS位，該位值確定主機(jī)供電范圍，當(dāng)主機(jī)提供了SD卡不支持的電壓范圍時(shí)，SD卡處于非活動(dòng)狀態(tài)，將忽略所有的總線傳輸。之后發(fā)送ACMD41命令(確認(rèn)卡的操作電壓范圍)，并通過HCS位來告訴SD卡，該位值表示主機(jī)是否支持高容量SDHC卡(儲(chǔ)存容量在2G以上的SD卡)，當(dāng)收到HCS=1時(shí)，初始化即完成。

圖4 SD卡初始化流程原理圖

2)SD卡讀寫操作。在SD存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)塊的形式進(jìn)行傳輸?shù)摹D5為SDIO多數(shù)據(jù)塊讀寫，其主要流程為：從機(jī)在收到主機(jī)相關(guān)命令后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)塊給主機(jī)，所有數(shù)據(jù)塊都帶有CRC校驗(yàn)值(CRC由SDIO硬件自動(dòng)處理)，單個(gè)數(shù)據(jù)塊讀的時(shí)候，在收到1個(gè)數(shù)據(jù)塊以后即停止，不需要發(fā)送停止命令(CMD12)。但多數(shù)據(jù)塊讀寫時(shí)，SD卡將一直發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)，直到接收到主機(jī)發(fā)送的停止命令(CMD12)。數(shù)據(jù)塊寫操作同數(shù)據(jù)塊讀操作基本類似，只是數(shù)據(jù)塊寫的時(shí)候，多了一個(gè)繁忙判斷，新的數(shù)據(jù)塊必須在SD卡非繁忙的時(shí)候發(fā)送。

圖5 SDIO多數(shù)據(jù)塊讀寫

3)程序流程。參考《EC20通用AT指令手冊(cè)》，MCU與EC20的通信主要通過MCU向串口發(fā)送AT指令。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度的獲取則通過向EC20發(fā)送問詢指令“AT+CSQ”，用來獲取信號(hào)響度，獲得返回值rssi。rssi表示信號(hào)強(qiáng)度指示，用來判定信號(hào)鏈接質(zhì)量，rssi使用無量綱單位dBm，rssi與信號(hào)功率P(mW)的公式如下:

rssi=(10log10P+113)/2。

(1)

通過查閱《EC20通用AT指令手冊(cè)》?？傻玫絩ssi值與信號(hào)功率P對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度分級(jí)。需注意的是當(dāng)rssi=99 dBm時(shí)，表示檢測(cè)無信號(hào)，需要檢查SIM卡或天線是否正確安裝。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，MCU周期性發(fā)送指令查詢網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，若船舶行駛至信號(hào)較弱的航區(qū)，MCU判斷信號(hào)較差至無法傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)將攜帶時(shí)間戳儲(chǔ)存至SD卡中，當(dāng)判斷信號(hào)強(qiáng)度恢復(fù)后，本地緩存數(shù)據(jù)將根據(jù)時(shí)間順序和當(dāng)前數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行無線發(fā)送。數(shù)據(jù)緩存流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)緩存流程圖

按上述流程，SD卡初始化過程及讀寫過程均封裝在函數(shù)內(nèi)，并在主函數(shù)內(nèi)調(diào)用。通過發(fā)送CSQ指令，返回信號(hào)強(qiáng)度信息存入緩存數(shù)組中，同時(shí)將信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)以作為判斷條件。通過持續(xù)判定信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)需要本地緩存時(shí)，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)寫入SD卡扇區(qū)中；恢復(fù)發(fā)送時(shí)，若SD卡存在本地緩存數(shù)據(jù)時(shí)，將和當(dāng)前數(shù)據(jù)一起無線發(fā)送出去，同時(shí)刷新扇區(qū)。

3 功能測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能，通過搭建功能測(cè)試平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行功能測(cè)試，為了驗(yàn)證信號(hào)較差情況下數(shù)據(jù)的緩存和信號(hào)恢復(fù)后數(shù)據(jù)的重新發(fā)送，模擬數(shù)據(jù)可以設(shè)置為有規(guī)律的固定數(shù)據(jù)幀，同時(shí)模擬無線信號(hào)中斷時(shí)，當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)應(yīng)該可以被區(qū)分。

3.1 測(cè)試過程

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建的測(cè)試環(huán)境中，硬件包括1臺(tái)PC機(jī)、1塊無線傳輸板、1個(gè)24 V電源和1個(gè)USB/CAN轉(zhuǎn)換器，軟件包括Keil5，CANTest、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手及“花生殼”。給發(fā)送板上電使其在正常狀態(tài)下工作，利用CANTest向CAN總線輸入CAN信號(hào)以模擬采集的數(shù)據(jù)，MCU無線發(fā)送數(shù)據(jù)包，通過“花生殼”將本地PC端口映射至公網(wǎng)IP以模擬岸基的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示，設(shè)置對(duì)應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)IP和端口，使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手上顯示。模擬數(shù)據(jù)發(fā)送中斷狀態(tài)(將卡拔出，或者拆掉4G天線)，待20 s后恢復(fù)數(shù)據(jù)發(fā)送，利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手驗(yàn)證緩存數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的一致性。

正常工作情況下，MCU發(fā)送長度為72字節(jié)的數(shù)據(jù)包。且第2、3個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)由CAN總線上ID為0x1811273d的第5、6字節(jié)獲取。通過控制在CANTest的發(fā)送功能中設(shè)置不同數(shù)據(jù)位來改變數(shù)據(jù)幀頭兩位字節(jié)數(shù)據(jù)，以區(qū)別當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)，在線狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)為0xAAAA，掉線狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)為0xBBBB。

3.2 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)正常工作后，數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率為1s，數(shù)據(jù)幀的第2、3個(gè)字節(jié)為標(biāo)志位。正常工作狀態(tài)發(fā)送0x1811273d(00 00 00 00 AA AA 00 00)，使數(shù)據(jù)幀標(biāo)志位為AA AA(模擬當(dāng)前數(shù)據(jù))，并拆去4G天線，同時(shí)改變CAN數(shù)據(jù)，發(fā)送0x1811273d(00 00 00 00 BB BB 00 00)，使數(shù)據(jù)幀標(biāo)志位為BB BB(模擬歷史數(shù)據(jù)),待20 s后恢復(fù)天線連接，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)以當(dāng)前時(shí)間和歷史時(shí)間交替發(fā)送出來。

4 結(jié)束語

本文內(nèi)河船機(jī)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用外置SD卡儲(chǔ)存電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存，并根據(jù)實(shí)時(shí)問詢信號(hào)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)恢復(fù)發(fā)送機(jī)制。通過驗(yàn)證，模擬信號(hào)丟失的情況下，數(shù)據(jù)可以緩存至儲(chǔ)存模塊中，且在信號(hào)恢復(fù)后，歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)可交替發(fā)出。