（光学工程专业论文）海洋风关噪声反演系统的数据控制与存储.pdf

中文摘要 “海洋环境噪声监测及反演技术研究”是国家8 6 3 项目，该项目的主要目 的是研究和验证适合我国海域的海洋风关噪声模型。 本论文是“海洋环境噪声监测及反演技术研究”的子课题，主要任务是研 制海洋风关噪声反演系统的数据控制与存储，实现系统低功耗、海量数据存储 和数据采集连续性。 本文的主要工作： 根据系统功能和特殊要求，提出了数据控制与存储的总体设计方案，采用了 多种降低系统功耗的方法； 完成了数据控制与存储的硬件电路设计，开发了基于单片机的底层控制软件； 参考i d e 接口协议的相关内容，设计了嵌入式硬盘存储控制的方法，实现了 海量数据存储； 参考磁盘文件系统的相关内容，设计了硬盘兼容存储管理的方法，实现了海 量数据存储和磁盘文件系统的兼容，同时开发了基于串行接口的计算机上位 控制软件； 结合模拟实验和实际使用，对数据进行了严格的分析，对系统功耗和工作时 间进行了严格的测算，提出了改进意见。 本文的创新之处： 采用嵌入式硬盘存储技术和硬盘兼容存储方法，实现了和磁盘文件系统竞全 兼容的海量数据存储； 采用了多种降低系统功耗的有效方法，主要包括：硬盘阶段工作；不同单元 和不同模块独立供电，分时工作；f i f o 、f l a s h 和i d e 硬盘三级数据传输 和存储。 关键词：海洋风关噪声i d ef a t 3 2 低功耗m s p 4 3 0 单片机 a b s t r a c t t h es t u d yo fm a r i n ea m b i e n tn o i s es u r v e i l l a n c ea n di n v e r s i o nt e c h n i q u e s ( s m 川n s i t ) i sap r o j e c to fc h i n an a t i o n a l8 6 3 i tm a i n l ys t u d i e sa n dt e s t i f i e st h e m a r i n ew i n d g e n e r a t e dn o i s em o d e l ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h em a r i t i m es p a c eo f c h i n a a sas u b p r o j e c to fs m a n s r r t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to fd a t a c o n t r o l l i n ga n ds t o r i n gi nt h em a r i n ew i n d g e n e r a t e dn o i s ei n v e r s i o ns y s t e m ，a n d o nt h er e a l i z a t i o nf o rl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，m a s sd a t as t o r a g ea n dd a t aa c q u i s i t i o n i ns e r i e s t h em a j o rw o r ki nt h ep a p e r ： aw h o l ed e s i g ns c h e m eo fd a t ac o n t r o l l i n ga n ds t o r i n gh a sb e e np r o v i d e d ，a n d s o m em e t h o dw h i c hl o w e r i n gp o w e rc o n s u m p t i o nh a s b e e na d o p t e d ，b a s e do nt h e f u n c t i o nm a dt h ed e m a n d ； h a r d w a r eo fd a t ac o n t r o l h n ga n ds t o r i n gh a sb e e na c c o m p l i s h e d ，a n dp r o g r a m b a s e do nm c uh a sb e e nd e v e l o p e d ； c o n s u l t i n gd ep r o t o c o l ，am e t h o dn a n a e d “e m b e d d e ds t o r i n gb a s e do nh d ” ( e s b h d ) h a sb e e np r o v i d e d , w h i c he n a b l em a s sd a t as t o r a g e ； c o n s u l t i n gd i s kf i l es y s t e m ( d f s ) ，am e t h o dn a m e d “c o m p a t i b l es t o r i n gb a s e d o nh d ( c s b h d ) h a sb e e np r o v i d e d ，w h i c he n a b l ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e nm a s s d a t as t o r a g ea n dd f s ，a n dp r o g r a mb a s e do i ls e r i a lc o m h a sb e e nd e v e l o p e d ； b ye x p e r i m e n ta n du s e ，d a t ah a sb e e na n a l y z e ds t r i c t l y ，p o w e rc o n s u m p t i o na n d w o r k i n gt i m eh a sb e e nm e a s u r e ds t r i c t l y , a n das c h e m eo fi m p r o v i n gh a sb e e n p r o p o s e d t h ei n n o v a t i o ni nt h ep a p e r e s b h da n dc s b h dh a sb e e np r o v i d e d ，w h i c he n a b l ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e n m a s sd a t as t o r a g ea n dd f s ； s o m em e t h o dw h i c hl o w e r i n gp o w e rc o n s u m p t i o nh a sb e e na d o p t e d ：h i ) w o r k s w h e nn e e d e d ，u n i t sa n dm o d u l e si sp o w e r e di n d i v i d u a l l ya n dw o r k si nd i f f e r e n t p h a s e ，m a s sd a t as t o r i n gb yu s i n gf i f o ，f l a s ha n d l i d k e y w o r d s ：m a r i n ew i n d g e n e r a t e dn o i s e ，i d e ，f a t 3 2 ，l o w p o w e r c o n s u m p t i o n ，m s p 4 3 0 ，m c u u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 1 乱餐 签字日期：2 一窜年j 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名阊鉴 导师签名毒弘耳 签字日期：h 鲁驽年1 月j r 签字日期：加噎年f月；日 第一章序论 1 1 本课题的提出背景 第一章序论 被称为世界第六大州的海洋以其丰富的资源、广阔的空间和对于地球环境 与气候的巨大调节作用，已经成为全球生命支持系统的一个重要组成部分，是 人类社会可持续发展的宝贵财富。 我国是一个海洋大国，濒临渤海、黄海、东海和南海，拥有1 8 万多公里长 的大陆海岸线、3 7 万多平方公里的领海、近3 0 0 万平方公里的管辖海域和丰富 的海洋资源，这些都是我国实施可持续发展战略的重要物质基础【1 】f 2 1 。 在海洋科学技术的研究中，海洋声学具有较大的优越性【”。声波是目前唯 一能够在海洋中远距离传播的辐射形式，被广泛应用于海底探测、海洋自然灾 害预报、海下通信与遥控、海洋导航、海洋生物保护和海洋军事等方面。 但是任何海洋声学系统( 尤其是声纳系统) 的设计和使用都要受到海洋环 境噪声的限制 4 】。从噪声源方面，可以划分为气象噪声、人为噪声和生物噪声 三种类型。风关噪声属于气象噪声，位于1 0 0 h z 2 0 k h z 频段内，频谱范围较 宽，地域较广，普遍存在于深海和浅海，对于海洋声学系统( 尤其是声纳系统) 的影响较大。 1 2 国内外技术现状 从第二次世界大战开始，科研人员已经广泛使用水听器测量1 h z 1 0 0 k h z 频段内的海洋环境噪声，对噪声源和特性有了较深入的认识，尤其对于海洋风 关噪声进行了较多的研究，指出了海况( 风力) 与海洋环境噪声谱级之间的直 接关系，并且在此基础上，得出了著名的以海况( 风力) 为参数的k n u s d e n 谱 5 o 目前，科研人员对海洋环境噪声展开了更加深入的研究，涉及了深海和浅 海的各个海域、各个季节和各个时间的各种海洋环境噪声，研究对象主要包括 风关噪声、远处航船噪声和生物噪声等，研究手段主要包括坐底式单水听器、 第一章序论 船用或者浮标用垂直水听器阵和水平水听器阵等，研究参数主要涉及噪声平均 功率谱、噪声强度、噪声水平指向性和噪声垂直指向性等。 目前，海洋环境噪声的采集、处理和存储主要是科研人员使用磁带设备到 现场采集数据，然后回到实验室处理，即便使用自动化系统，工作时间较短， 数据量较少，缺乏可以长期连续工作和大容量存储的自动化采集、处理和存储 系统。 1 3 本文的主要工作 本课题以海洋风关噪声为研究对象，根据该噪声的特点和海洋环境的特点， 开发了海洋风关噪声反演系统，实现了海洋风关噪声的定点长期连续自动监测。 本文主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析了该系统的设计要求，根据系统低功耗、海量数据存储和数据采 集连续性的特殊要求，提出了数据控制与存储单元( 中央控制单元) 的总体设 计方案，同时根据系统低功耗的特殊要求，采用了多种降低系统功耗的方法： ( 2 ) 进行了数据控制与存储单元的硬件电路设计，并且开发了基于单片机 的底层控制软件； ( 3 ) 根据海量数据存储的特殊要求，参考1 d e ( i n t e g r a t e d d i s k e l e c t r o n i c s ： 集成磁盘电路) 接口协议的相关内容，设计了嵌入式硬盘存储控制的方法： ( 4 ) 为了数据访问的通用性和便捷性，参考磁盘文件系统的相关内容，设 计了硬盘兼容存储管理的方法，实现了海量数据存储和磁盘文件系统的兼容， 同时开发了基于串行接口的计算机上位控制软件； ( 5 ) 采用长时间模拟实验对本系统进行了多次调试和测试，对数据进行了 严格的分析，对系统功耗和工作时间进行了严格的测算，并且提出了改进意见， 同时经过三个多月的实际使用，工作正常，各项功能得到验证，取得了满意的 效果。 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 2 1 海洋风关噪声反演系统的工作原理和设计要求 海洋风关噪声反演系统由三大部分组成：风关噪声传感器( 水昕器) ，数据 采集、处理与存储系统和计算机上位控制软件，如图2 - 1 所示。 图2 1 海洋风关噪声反演系统工作示意图 风关噪声传感器和数据采集、处理与存储系统放置在海下，以预置的参数 工作，实现海洋风关噪声的定点长期连续自动监测，完成数据的实时采集、处 理和存储等功能。计算机上位控制软件和本系统接1 ：3 ，实现本系统下海工作以 前和回收以后的初始化、参数设置、状态读取和数据传输等功能，同时提供多 种测试、调试和数据补救功能。 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 本系统的主要参数要求如表2 - i 所示。 表2 - 1 参数要求 采样通道数 单通道 采样位数1 6 b i t 采样频率 6 4 k h z 采样速率 1 2 8 k b s 采样时间 6 4 s 采样间隔 1 5 m ( 每小时四次) 连续工作时间 1 2 0 天 2 2 海洋风关噪声反演系统的特殊要求 特殊的设计要求和特殊的海洋环境对本系统提出了特殊的要求。主要表现 在以下两个方面： ( 1 ) 系统低功耗、海量数据存储和数据采集连续性的要求 本系统需要在海下定点长期连续自动工作至少1 2 0 天，实现数据的实时采 集、处理和存储等功能。海下工作，工作时间较长，功能较多，所以无法采用 外部方式供电，需要合理的供电方案。因此，本系统需要具有低功耗的特点。 本系统对海洋风关噪声进行定点长期连续自动监测，数据量较大。本系统 采用单通道采样，采样位数1 6 b i t ，采样频率6 4 k h z ，采样速率1 2 8 k b s ，采样 时矧6 4 s ，所以一次采样的数据量为8 m b 。采样间隔1 5 m ( 每小时四次) ，每小 时的数据量为3 2 m b ，每天的数据量为7 6 8 m b ，工作至少1 2 0 天，数据量接近 1 0 0 g b 。因此，本系统需要具有海量数据存储的功能。 本系统采样位数1 6 b i t ，采样频率6 4 k h z ，采样速率1 2 8 k b s ，采样时间 6 4 s 。速度较高并且具有连续性，数据的传输和存储必须能保证数据不丢失不覆 盖。因此，本系统需要保证数据采集连续性。 系统低功耗、海量数据存储和数据采集连续性这三个要求不是相互独立 的，需要综合考虑才能使本系统在实现系统功能的前提下高效率的工作。首先， 4 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 实现海量数据存储必然增加系统的工作时间，功耗与时间是成正比的；其次， 实现数据采集连续性需要保证系统达到一定的工作速度，功耗与速度是成正比 的：最后，实现数据采集连续性和海量数据存储势必要增加系统组成部分的数 量和同时工作的组成部分的数量，意味功耗的增加。实现系统低功耗、海量数 据存储和数据采集连续性这三个要求的相互协调是本系统的关键。 ( 2 ) 稳定性和可靠性的要求 本系统工作在无人值守的状态下，而且工作现场远离科研人员工作和居住 的地方，布放、维护和回收的代价较高。本系统不应该有日常维护要求或者f j 常维护周期尽量长。因此，本系统需要具有较高的稳定性和可靠性。 2 3 数据控制与存储单元的总体设计方案 2 3 1 总体设计方案 本系统需要在海下定点长期连续自动监测海洋风关噪声，实现数据的采 集、处理和存储等功能，设计要求和海洋环境的特殊性对本系统提出了系统低 功耗、海量数据存储和数据采集连续性的特殊要求，协调这三个要求是本系统 的关键。 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 在实现系统功能的前提下，综合考虑这三个要求，本系统的总体设计方案 如图2 2 所示。 图2 2 数据采集、处理与存储系统组成示意图 本系统由模拟信号放大滤波单元、数据控制与存储单元、d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ：数字信号处理) 数据处理单元、i d e 硬盘组、外部通信与控制单元 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 和电池组六个单元组成 6 1 。 模拟信号放大滤波单元负责对风关噪声传感器采集的微弱模拟信号进行 实时的、程控的和低噪声的放大滤波，并将放大滤波后的模拟信号传输给数据 控制与存储单元。 d s p 数据处理单元完成数据的反演处理，并且将反演结果传输给数据控制 与管理单元进行存储。 外部通信与控制单元通过计算机串行接口实现数据控制与存储单元和计 算机上位控制软件的接口，通过外部通信与控制单元，上位控制软件完成本系 统下海工作以前和回收以后的初始化、参数设置、状态读取和数据传输等功能， 同时完成多种测试、调试和数据补救功能。 电池组由1 4 个高性能锂电池单体组成，负责为风关噪声传感器和本系统 的各个单元与各个模块供电。每个锂电池单体可以提供7 2 v x1 0 a h 电能。电 池组的连接方式如图2 ，3 所示。 1 4 4 v 2 0 a h7 2 v x1 0 0 a h 图2 - 3电池组连接方式 1 4 4 v x 2 0 a h 一组负责给风关噪声传感器供电，7 2 v x1 0 0 a h 一组负责给 本系统的各个单元和各个模块供电。 两个6 0 g b 的i d e 笔记本硬盘组成1 2 0 g b 的i d e 硬盘组，实现海量数据 存储。本系统工作过程中，主盘和从盘由硬盘的跳线区分，先存储主盘，主盘 存储满数据以后，自动切换为存储从盘，从盘存储满数据以后，本系统停止工 作，进入休眠状态，等待回收。 2 3 2 数据控制与存储单元 数据控制与存储单元是本系统的核心，是实现系统低功耗、海量数据存储 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 和数据采集连续性的关键。本单元由七个模块组成；单片机中央控制模块、 c p l d ( c o m p l i c a e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ：复杂可编程逻辑器件) 逻辑时 序控制模块、a d c ( a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r ：模拟数字转换器) 模数转换模块、 f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ：先入先出) 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块、供 电管理模块和时钟与辅助电路模块【7 。 单片机中央控制模块和c p l d 逻辑时序控制模块协调工作，主要实现以下 四个功能： ( 1 ) 为各个单元和各个模块提供逻辑时序、工作时钟和控制信号，完成 对各个单元和各个模块的中央控制； ( 2 ) 对供电进行集中管理，实现不同单元和不同模块独立供电，分时工 作，以降低系统功耗； ( 3 ) 控制f i f o 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块和i d e 硬盘组协调 工作，完成本系统的数据传输和存储； ( 4 ) 隔离f i f o 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块、1 d e 硬盘组和d s p 数据处理单元四者相互之间的数据线，以实现四者独立供电，分时工作。 a d c 模数转换模块负责对来自模拟信号放大滤波单元的模拟信号进行模 拟数字转换，转换为数字化的数据。 f i f o 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块和i d e 硬盘组三者共同完成数 据的传输和存储，f i f o 数据缓存模块实现数据采集连续性，f l a s h 数据暂存 模块实现系统低功耗，i d e 硬盘组实现海量数据存储。 供电管理模块将电池组提供的电源变换为独立的多路电源，分别给各个单 元和各个模块独立供电。 时钟与辅助电路模块通过电子万年历按照设计要求在指定时间发生中断 信号给单片机中央控制模块，通知本系统定时工作。 2 3 3 系统低功耗、海量数据存储和数据采集连续性的实现 本系统通过单片机中央控制模块和c p l d 逻辑时序控制模块控制i d e 硬盘 组进行阶段工作，实现嵌入式硬盘存储控制，将数据存储在采用硬盘兼容存储 管理的方法建立好的文件中，实现了和磁盘文件系统兼容的海量数据存储。 本系统通过f i f o 数据缓存模块对a d c 模数转换模块输出的数字化的数据 进行缓存，保证了数据采集连续性。 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 本系统为了降低系统功耗，主要采用以下三种方法： ( 1 ) 通过f l a s h 数据暂存模块对数据进行暂存，减少i d e 硬盘组的工作 频率，同时i d e 硬盘组采用阶段工作方式，从而降低系统功耗； ( 2 ) 通过供电管理模块对供电进行集中管理，实现不同单元和不同模块独 立供电，分时工作，从而降低系统功耗； ( 3 ) 在实现系统功能的前提下，使用低功耗的芯片； ( 4 ) 本系统在空闲期间处于休眠状态，通过时钟与辅助电路模块的定时中 断，唤醒进入工作状态，工作结束自动进入休眠状态，缩短工作时间，提高工 作效率，从而降低系统功耗。 2 4 海洋风关噪声反演系统的工作过程 本系统的工作过程如下： ( 1 ) 下海工作以前，通过上位控制软件进行初始化，设置工作参数和系统 时间，设置好以后，本系统进入休眠状态； ( 2 ) 下海工作，时钟与辅助电路模块通过电子万年历按照设计要求在指定 时间发生中断信号给单片机中央控制模块，通知本系统开始工作，本系统从休 眠状态中唤醒； ( 3 ) 单片祝中央控制模块通过供电管理模块开启风关噪声传感器、模拟信 号放大滤波单元、c p l d 逻辑时序控制模块、a d c 模数转换模块、f i f o 数据 缓存模块和f l a s h 数据暂存模块，本系统开始工作； ( 4 ) 在单片机中央控制模块通过c p l d 逻辑时序控制模块和时钟与辅助 电路模块的控制下，风关噪声传感器完成采集，模拟信号放大滤波单元完成放 大滤波，a d c 模数转换模块完成转换，f i f o 数据缓存模块完成缓存； ( 5 ) 当f w o 达到半满( k b 级) 时，f i f o 数据缓存模块发生信号给单片 机中央控制模块，通知本系统开始f i f o 暂存f l a s h 操作； ( 6 ) 6 4 s 以后，采集、放大滤波、转换、缓存和暂存结束，单片机中央控 制模块通过供电管理模块关闭风关噪声传感器、模拟信号放大滤波单元、a d c 模数转换模块和f i f o 数据缓存模块，开启d s p 数据处理单元，本系统开始数 据处理操作； ( 7 ) d s p 数据处理单元从f l a s h 中读取本次数据进行反演处理，反演处 第二章数据控制与存储单元的总体设计方案 理结束以后将反演结果存储到f l a s h 中； ( 8 ) 反演处理结束以后，单片机中央控制模块通过供电管理模块关闭d s p 数据处理单元，如果f l a s h 未满，单片机中央控制模块通过供电管理模块关 闭c p l d 逻辑时序控制模块和f l a s h 数据暂存模块，同时自身进入休眠状态， 本系统结束本次工作，进入休眠状态，等待下一次中断的到来； ( 9 ) 如果f l a s h 已经存满( m b 级) ，单片机中央控制模块通过供电管理 模块开启i d e 硬盘组，本系统开始f l a s h 存储硬盘操作： ( 1 0 ) 在单片机中央控制模块通过c p l d 逻辑时序控制模块和时钟与辅助 电路模块的控制下，完成f l a s h 存储硬盘操作； ( 1 1 ) 存储结束以后，单片机中央控制模块通过供电管理模块关闭c p l d 逻辑时序控制模块、f l a s h 数据暂存模块和d e 硬盘组，同时自身进入休眠 状态，本系统结束本次工作，进入休眠状态，等待下一次中断的到来： ( 1 2 ) 本系统利用中断信号，重复( 2 ) ( 1 1 ) 操作，当主盘和从盘已经 存满，本系统停止工作，进入休眠状态，等待回收； ( 1 3 ) 回收以后，可以通过上位控制软件对本系统进行相应操作和数据访 问，或者利用硬盘插槽将i d e 硬盘组直接连接在计算机的主板上，在 w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 操作系统下访问数据。 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 数据控制与存储单元是本系统的核心，是实现系统低功耗、海量数据存储 和数据采集连续性的关键。本单元由七个模块组成：单片机中央控制模块、 c p l d 逻辑时序控制模块、a d c 模数转换模块、f i f o 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块、供电管理模块和时钟与辅助电路模块。 3 1 单片机中央控制模块 单片机中央控制模块使用的单片机是t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ：德州仪器) 公 司的m s p 4 3 0 f l x 系列中的m s p 4 3 0 f 1 4 9 【”。该单片机具有如下特点： ( 1 ) 具有活动模式和低功耗模式o 4 六种工作模式，工作在低功耗模式 4 ( 休眠模式) 时，工作电流只有为0 1 u a ，适合于低功耗应用； ( 2 ) 丰富的寻址方式、简洁的指令集、较多的片内寄存器、可实现多种运 算的存储器、高效的查表处理方法和较多的可以任意嵌套的中断源，使得该单 片机具有强大的处理能力，可以编写高效率的程序； ( 3 ) 集成丰富的片上外围模块，包括1 2 b i t a d c 、精密模拟比较器、硬件 乘法器、两组频率可以达到8 m h z 的时钟模块、两个带有大量捕获，比较寄存器 的1 6 b i t 定时器、看门狗、两个可以实现同步异步与多址访问的串行通信接口 和数十个可以实现管脚单独配置与中断功能的并行输入输出端口等； ( 4 ) f l a s h 存储器、j t a g 接口和片内b o o t r o m ( r e a d o n l y m e m o w ： 只读存储器) ，使得该单片机具有方便高效的开发方式； ( 5 ) 运行环境温度范围为一4 0 + 8 5 ，适应工业级运行环境。 该单片机使用3 2 7 6 8 k h z 和8 1 9 2 m h z 两个时钟晶振发生本系统的时钟， 3 2 7 6 8 k h z 时钟用于本系统的启动，8 1 9 2 m h z 时钟用于本系统的工作状态，提 高数据采集、传输和存储的速度。 该单片机通过c p l d 逻辑时序控制模块为各个单元和各个模块提供逻辑时 序、工作时钟和控制信号，实现数据的采集、处理和存储，同时实现单片机对 f i f o 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块和i d e 硬盘组的访问。 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 该单片机通过具有中断功能的并行输入输出端口接收时钟与辅助电路模块 发生的中断信号，从休眠状态唤醒，开始工作。 该单片机通过供电管理模块对供电进行集中管理，根据不同的工作阶段开 启相应的3 3 v 或者5 v 电源，实现不同单元和不同模块独立供电，分时工作。 该单片机通过控制c p l d 的内部工作方向和7 4 h c 2 4 5 实现f i f o 数据缓存 模块、f l a s h 数据暂存模块、i d e 硬盘组和d s p 数据处理单元四者相互之间 的数据线隔离。 该单片机的串行通信接口通过外部通信与控制单元实现和上位控制软件的 接口，完成本系统下海工作以前和回收以后的初始化、参数设置、状态读取和 数据传输等功能，同时完成多种测试、调试和数据补救功能。 3 2 供电管理模块 供电管理模块使用电池组提供的1 4 4 v 直接给风关噪声传感器供电，将电 池组提供的7 2 v 变换为独立的多路3 3 v 和多路5 v ，在单片机中央控制模块的 控制下，根据不同的工作阶段，分别给各个单元和各个模块独立供电。 3 3 时钟与辅助电路模块 时钟与辅助电路模块使用的时钟芯片是d a l l a s 公司的d s l 3 0 5 s ”。该时 钟芯片具有如下特点： ( i ) 工作时钟3 27 6 8 k h z ； ( 2 ) 3 v 纽扣锂电池供电： ( 3 ) 具有中断输出功能的可编程定时器； ( 4 ) 内部有1 2 8 b 的r a mg ( 5 ) 运行环境温度范围为4 0 + 8 5 ，适应工业级运行环境； 该时钟芯片使用3 2 7 6 8 k h z 时钟晶振，通过电子万年历按照设计要求在指 定时间发生中断信号给单片机中央控制模块，通知本系统定时工作。 该时钟芯片内部有1 2 8 b 的r a m ，保存当前系统状态( 包括每个单元与每 个模块电源开关状态、采样允许禁止状态、采样频率、采样序号、采样次数、 采样时间、采样间隔、采样幅度、硬盘地址和f l a s h 地址) ，当本系统定时工 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 作时，从该r a m 中读出当前系统状态，接续以前的系统状态继续工作。该时 钟芯片由3 v 纽扣锂电池单独供电，一直不掉电。同时该r a m 中的当前系统 状态备份在硬盘的固定文件中，以防意外发生，该r a m 中的当前系统状态丢 失，可以使用硬盘固定文件中的备份恢复，最大限度的减少损失。 3 4 外部通信与控制单元 外部通信与控制单元使用的串行通信芯片是m a x i m 公司的 m a x 3 2 2 2 e p l w 。该串行通信芯片具有如下特点： ( 1 ) r s 一2 3 2 协议； ( 2 ) 3 3 v 供电； ( 3 ) 低功耗； ( 4 ) 2 5 0 k b p s ( b i tp e rs e c o n d ：位每秒) ，速度较快。 通过该串行通信芯片，单片机的串行通信接口实现和上位控制软件的接口， 完成本系统下海工作以前和回收以后的初始化、参数设置、状态读取和数据传 输等功能，同时完成多种测试、调试和数据补救功能。 3 5a d c 模数转换模块 a d c 模数转换模块使用的a d c 是a n a l o g 公司的a d 7 6 7 5 。该a d c 具有如下特点： ( 1 ) 差动模拟输入，逐次逼近式； ( 2 ) 1 6 b i t 分辨率，分辨率较高； ( 3 ) 吞吐量1 0 0 k s p s ( s a m p l e s p e rs e c o n d ：采样每秒) ，转换周期1 0 i - t s ， 速度较快； ( 4 ) 8 b i t 1 6 b j t 并行接口和两路串行接口； ( 5 ) 5 v 单电压供电，2 5 v 参考电压： ( 6 ) 低功耗： ( 7 ) 运行环境温度范围为一4 0 + 8 5 ，适应工业级运行环境 ( 8 ) 适用于电池组供电系统。 单片机通过c p l d 发生片选信号c s 一、复位信号r e s e t 、读使能信号r d 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 和转换时钟c n v s t 。 该a d c 采用1 6 b i t 二进制原码并行输出方式，对来自模拟信号放大滤波单 元的模拟信号进行模拟数字转换，转换为数字化的数据。转换时序如图3 1 所 不o c s = r d 一= o c n v s t - 状态 数据 图3 - 1a d c 转换时序图 3 6f i f o 数据缓存模块和f l a s h 数据暂存模块 f i f o 数据缓存模块、f l a s h 数据暂存模块和i d e 硬盘组三者共同完成本 系统的数据传输和存储。 如果将a d c 模数转换模块输出的数据直接存储到硬盘，这样会造成硬盘 的频繁工作，功耗较大。由于f l a s h 的容量较大，本系统采用f l a s h 对数据 进行暂存，当f l a s h 存满( m b 级) 时，通过c p l d 存储到硬盘，减少硬盘 的工作次数，从而降低系统功耗【i ”。如果将a d c 模数转换模块输出的数据直 接存储到f l a s h ，由于f l a s h 的控制比较复杂，并且采集过程连续，有可能 造成数据丢失覆盖，无法保证数据采集连续性。由于f i f o 的速度较高，并且 控制比较简单，本系统采用f i f o 对数据进行缓存，当f i f o 达到半满( k b 级) 时，暂存到f l a s h ，从而保证数据采集连续性1 1 3 l 。如果直接采用f i f o 对数据 进行暂存，由于f i f o 的容量较小，只能较少的减少硬盘的工作次数，无法有 效的降低系统功耗。 3 6 1f i f o 数据缓存模块 f i f o 数据缓存模块使用的f i f o 是t 1 公司的s n 7 4 v 2 4 5 1 1 4 。该f i f o 具有 如下特点： 4 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 ( 1 ) 容量4 0 9 6 1 8 b i t ，容量较大； ( 2 ) 读写周期7 5 n s ，速度较高； ( 3 ) 低功耗； ( 4 ) 3 3 v 供电。 单片机通过c p l d 发生复位信号r s 一、写使能信号w e n 一、读使能信号 r e n 一、输出使能信号o e 一、写时钟w c l k 和读时钟r c l k 。 该f i f o 采用标准模式和半满方式，进行a d c 缓存f i f o 操作和f i f o 暂 存f l a s h 操作。写时序如图3 2 所示，读时序如图3 3 所示。 w e n 一= 0 w c l k 数据 r e n = 0 r c l k 数据 厂 厂 图3 - 2f i f o 写时序图 厂厂 图3 - 3f i f o 读时序图 3 6 2f l a s h 数据暂存模块 f l a s h 数据暂存模块使用的f l a s h 是s a m s u n g 公司的 k 9 f 1 g 0 8 u o m y c b 0 1 ”。该f l a s h 具有如下特点： ( 1 ) 容量1 2 8 m 8 b i t ，每页2 0 4 8 1 3 ，6 5 5 3 6 页，每块6 4 页，1 0 2 4 块，容 量较大： ( 2 ) 3 3 v 供电； ( 3 ) 与非结构，非易失性： ( 4 ) 读周期5 0 n s b ，每页写时间3 0 0 肛s ，每块擦除时间2 m s ，写周期4 5 n s ， 速度较快； 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 ( 5 ) 低功耗。 单片机通过c p l d 发生片选信号c e 一、地址锁存使能信号a l e 、命令锁存 使能信号c l e 、写时钟w e 一和读时钟r e 。 该f l a s h 采用2 8 b i t 地址寻址12 8 m 8 b i t ，16 b i t 页地址和1 2 b i t 块地址。 读写操作以页为单位，地址的写入需要四个周期，块地址两个周期，页地址两 个周期，先写块地址，再写页地址。擦除操作以块为单位，只需要块地址，写 入需要两个周期。地址锁存在地址寄存器中，时序如图3 - 4 所示。 c e 一= c l e = w e n = o a l e = 1 w e 一 地址 厂一 图3 - 4f l a s h 地址锁存时序图 该f l a s h 的命令集包括1 1 个命令，根据命令操作码的个数不同，有些命 令的写入需要一个周期，有些命令的写入需要两个周期。命令锁存在命令寄存 器中，时序如图3 5 所示。 c e = a l e w e n 一= o c l e = 1 w e 一 命令 厂一 图3 - 5f l a s h 命令锁存时序图 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 写操作的过程如图3 - 6 所示。 l 写命令操作码1 ( 1 周期) 写地址( 4 周期) 申 i 写命令操作码2 ( 1 周期) 图3 - 6f l a s h 写操作流程图 读操作的过程如图3 7 所示。 l 写命令操作码1 ( 1 周期) 写地址( 4 周期) + l 写命令操作码2 ( 1 周期) 图3 7f l a s h 读操作流程幽 7 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 擦除操作，即将相应的块写为f f h ，过程如图3 - 8 所示。 ll i 写命令操作码1 ( 1 周期)i 写地址( 2 周期) + l l 写命令操作码2 ( 1 周期)j 圈3 - 8f l a s h 读操作流程图 3 7 数据控制和存储的实现 数据线的连接如图3 2 9 所示。 图3 - 9 数据线连接示意图 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 数据控制和存储的流程如图3 1 0 所示。 图3 1 0 数据控制和存储流程图 3 7 1 转换和a d c 缓存f i f o 的实现 a d c 以6 4 k h z ( 和采样相同) 的时钟工作。工作过程中，c s 一信号和r d 一 信号始终保持为低，单片机通过c p l d 发生c n v s t 一时钟，每转换一次，输出 数据线上的数据更新一次。 f i f o 的输入数据线的低1 6 b i t 和a d c 的1 6 b i t 输出数据线直接连接，以 6 4 k h z ( 和a d c 相同) 的时钟进行a d c 缓存f i f o 操作。a d c 缓存f i f o 操 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 作过程中，f i f o 的r s 一信号始终保持为高，w e n - 信号始终保持为低，单片机 通过c p l d 发生w c l k 时钟，在该时钟的上升沿a d c 的输出数据写入f i f o 。 当f i f o 半满( 4 0 9 6 b ) 时，半满标志信号i - i f 一变低有效，通知单片机开始进行 f i f o 暂存f l a s h 操作。 3 7 2f i f o 暂存f l a s h 的实现 由于f l a s h 为8 b i t ，使用两片f l a s h 组成1 6 b i t 实现暂存。两片f l a s h 的数据线通过两片7 4 h c 2 4 5 分别和f i f o 的输出数据线的低1 6 b i t 的高字节与 低字节连接，以4 m h z 的时钟同时进行f i f o 暂存f l a s h 操作。f i f o 半满为 4 0 9 6 b ，为两片f l a s h 的一页。f i f o 暂存f l a s h 操作过程之前，f l a s h 的 c e 一信号己经设置为低，并且命令和地址已经分别写入命令寄存器和地址寄存 器，等待w e 一时钟。当f o 半满( 4 0 9 6 b ) 时，h f 一信号变低有效，通知单片 机开始进行f i f o 暂存f l a s h 操作。单片机通过c p l d 将f o 的r e n 一信号 设置为低。f i f o 暂存f l a s h 操作过程中，f i f o 的r s 一信号始终保持为高，r e n 信号始终保持为低，f l a s h 的c e 一信号始终保持为低，单片机通过c p l d 发生 f i f o 的r c l k 时钟和f l a s h 的w e 一时钟，在r c l k 时钟的上升沿读出f i f o 的数据，在w e 一时钟的上升沿f i f o 的输出数据写入f l a s h 。单片机通过c p l d 发生2 0 4 8 个r c l k 时钟的上升沿和2 0 4 8 个w e 一时钟的上升沿，这两个时钟相 互配合，从f i f o 读出4 0 9 6 b 数据，写入f l a s h 。一次采样8 m b 数据，为两 片f l a s h 的3 2 块( 2 0 4 8 页) ，需要2 0 4 8 次f i f o 暂存f l a s h 操作。由于f i f o 读操作的工作时钟比写操作的工作时钟高，所以f i f o 暂存f l a s h 操作过程中， a d c 缓存f i f o 操作不停止，数据不会超过半满，新数据不会覆盖旧数据。f i f o 暂存f l a s h 操作过程中，7 4 h c 2 4 5 实现f l a s h 和d s p 之间的数据线隔离， 同时c p l d 实现f l a s h 和硬盘之间的数据线隔离。 3 7 3f l a s h 的数据结构 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 两片f l a s h ，容量2 5 6 m b ，数据结构如表3 - 1 所示。 表3 - 1f l a s h 数据结构 名称大小( m b ) 数据暂存区 1 9 2 ( 7 6 8 块，4 9 1 5 2 页) 数据备用区2 7 7 5 ( 1 1 1 块，7 1 0 4 页) d s p 初始化数据区 o 2 5 ( 1 块，6 4 页) d s p 反演结果区3 2 ( 1 2 8 块，8 1 9 2 页) 保留嚣4 ( 1 6 块，1 0 2 4 页) 为了便于管理，每次采样的数据都有3 2 b 的数据头，结构如表3 。2 所示。 表3 - 2 数据头结构 起止字节号字节数说明 0 - 3 4 采样序号 4 5 2f l a s h 页号 6 72 采样频率 81 采样通道 91 放大倍数序号 1 0 1 月 1 11 正 1 21时 1 31日 1 4 1 秒 1 51分 1 6 3 l1 6 备用 3 7 4f l a s h 存储硬盘的实现 单片机对f l a s h 的页数进行计数，每暂存页，计数器增加一次，当暂 第三章数据控制与存储单元的硬件电路设计 存4 9 1 5 2 页( 1 9 2 m b ) 时，进行f l a s h 存储硬盘操作。两片f l a s h 的数据线 通过c p l d 分别和硬盘的1 6 b i t 数据线的高字节与低字节连接，以4 m h z 的时 钟同时进行f l a s h 存储硬盘操作。f l a s h 存储硬盘操作过程之前，硬盘己经 设置好，等待写时钟，f l a s h 的c e 一信号已经设置为低，并且命令和地址已经 分别写入命