一種大容量移動(dòng)存儲的網(wǎng)絡(luò)訪問方案設(shè)計(jì)

 引言

在工業(yè)測井系統(tǒng)中，終端的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移一直是工作的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)工業(yè)測井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲采用不掉電靜態(tài)RAM、EEPROM存儲模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移通常是計(jì)算機(jī)通過RS232串行口讀取。

隨著USB技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的移動(dòng)存儲介質(zhì)普遍采用U盤或移動(dòng)硬盤。U盤相對于工業(yè)測井系統(tǒng)終端原來的存儲模塊來說是海量存儲，所有存儲數(shù)據(jù)無需進(jìn)行壓縮處理，可以在文件級與計(jì)算機(jī)兼容。與此同時(shí)，嵌入式Internet技術(shù)的發(fā)展又使得互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠輕松地嵌入到工業(yè)測井系統(tǒng)中，通過以太網(wǎng)控制芯片將測井系統(tǒng)終端接入互聯(lián)網(wǎng)后，編制測井系統(tǒng)終端控制器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的通信協(xié)議，便可以輕松實(shí)現(xiàn)通過數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站來控制測井終端的數(shù)據(jù)采集，而進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，也無需反復(fù)插拔USB接口存儲器，僅通過已接入互聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)或其他具有上網(wǎng)功能的移動(dòng)終端即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制海量測井?dāng)?shù)據(jù)的采集、存儲及訪問。綜上所述，具有USB接口的存儲設(shè)備能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制、訪問USB存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，對于希望獲取海量測井?dāng)?shù)據(jù)的用戶來說意義重大。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要是以STC15F2K60S2單片機(jī)為核心。單片機(jī)收集測井系統(tǒng)中各路傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，通過USB接口芯片存儲在大容量U盤中，另外使用以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60將系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，通過PC機(jī)或其他具有上網(wǎng)功能的移動(dòng)終端遠(yuǎn)程控制并且訪問U盤中的測井?dāng)?shù)據(jù)。

1.1 USB接口芯片CH376模塊設(shè)計(jì)

1.1.1 CH376硬件電路搭建

USB接口芯片CH376模塊硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示，單片機(jī)與CH376采用的是硬件總線8位并口連接方式。CH376通過8位被動(dòng)并行接口的D0～D7、RD#、WR#、PCS#、A0直接連接到STC15F2K60S2單片機(jī)的系統(tǒng)總線上，其中D0～D7連接STC15F2K60S2的數(shù)據(jù)總線P0.0～P0.7引腳，RD#、WR#引腳與STC15F2K60S2的對應(yīng)引腳相連，INT#引腳連到STC15F2K60S2的外部中斷INT0上(采用中斷方式處理USB數(shù)據(jù)傳輸)，PCS#連接STC15F2K60S2的P2.6引腳來控制CH376的使能，A0連接到STC15F2K60S2的P2.0引腳，因此，CH376命令寄存器的地址可選為BDF1H，數(shù)據(jù)寄存器的地址可選為BCF0H。

1.1.2 CH376軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要將各路傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息存入大容量的U盤中，CH376能讀寫大容量U盤，故可以在U盤中創(chuàng)建文件，將采集到的數(shù)據(jù)寫入該文件中，創(chuàng)建一個(gè)EXCEL文件用于存放采集到的數(shù)據(jù)。

軟件操作的具體步驟是：單片機(jī)首先發(fā)送CMD_SET_USB_MODE命令設(shè)置CH376工作在主機(jī)模式下，然后調(diào)用沁恒公司提供的FILE_SYS文件系統(tǒng)庫中的CH376DiskConnect函數(shù)等待U盤連接，U盤連接成功后，在進(jìn)行操作之前必須由單片機(jī)發(fā)送CMD_DISK_MOUNT進(jìn)行初始化，并檢測磁盤是否準(zhǔn)備就緒，確認(rèn)磁盤準(zhǔn)備就緒后，調(diào)用文件系統(tǒng)庫函數(shù)CH376 File Open打開磁盤中已經(jīng)創(chuàng)建好的文件。當(dāng)文件創(chuàng)建成功后，為方便向文件中添加數(shù)據(jù)，還需要將該文件移動(dòng)到U盤中所有已有文件的末尾。可調(diào)用文件系統(tǒng)庫函數(shù)CH376ByteLocate設(shè)定參數(shù)為0xFFFF FFFF，即可移動(dòng)該文件至所有文件之后，以上一切準(zhǔn)備就緒后就可以向文件中寫入數(shù)據(jù)了，最后要保存文件并更新文件長度，涉及到的文件庫函數(shù)是CH376 GetFileSize。在U盤中創(chuàng)建EXCEL文件的軟件流程圖如圖3所示。

1.2 以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 ENC28J60硬件電路搭建

以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60模塊硬件電路如圖4所示。單片機(jī)與ENC28J60采用SPI總線方式連接，由于STC15F2K60S2內(nèi)部集成了硬件SPI，為了提高網(wǎng)絡(luò)通信速率，采用硬件SPI方式驅(qū)動(dòng)ENC28J60。STC15F2K60S2內(nèi)部與SPI總線驅(qū)動(dòng)相關(guān)的寄存器有SPI控制寄存器SPCTL、SPI狀態(tài)寄存器SPSTAT、SPI數(shù)據(jù)寄存器SPDAT、SPI功能切換寄存器AUXR1。配置好相關(guān)寄存器后，將SPI接口的4個(gè)引腳(SCKL/P1.5、MISO/P1.4、MOSI/P1.3、SS/P1.2)分別與ENC28J60相應(yīng)引腳相連，以太網(wǎng)接口采用自帶網(wǎng)絡(luò)變壓器和網(wǎng)絡(luò)通信指示燈的專用網(wǎng)絡(luò)接口HR911105A。

1.2.2 EN028J60軟件設(shè)計(jì)及嵌入式μIP協(xié)議棧移植

(1)ENC28J60的驅(qū)動(dòng)及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā) ENC28J60的驅(qū)動(dòng)程序主要分3部分：第一是配置相關(guān)寄存器，第二是芯片初始化，第三是收發(fā)數(shù)

據(jù)包，其中最核心的是收發(fā)數(shù)據(jù)包。在收發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)有以下幾點(diǎn)值得關(guān)注：首先ENC28J60具有一個(gè)接收過濾器，可以丟棄或接收具有組播、廣播或單播目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)包;其次，在數(shù)據(jù)字段處，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)字段的長度可以在0～1500字節(jié)之間變換，超過這一范圍的數(shù)據(jù)包是違反以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的，將會被大多數(shù)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)丟棄。

(2)嵌入式μIP協(xié)議棧移植

μIP是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院(網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)小組)的Adam Dunkels開發(fā)的，是專門為8位和16位單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常小的TCP/IP協(xié)議棧。μIP完全用C語言編寫，可以很方便地移植到各種不同結(jié)構(gòu)的單片機(jī)和操作系統(tǒng)上。μIP協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP協(xié)議中不常用的功能，簡化了通信流程，設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP/TCP/ICMP/UDP/ARP這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸協(xié)議上，保證了其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且其占用資源非常少，協(xié)議棧代碼不到6 KB，RAM只占用幾百字節(jié)。在設(shè)計(jì)上μIP采用硬件處理層、協(xié)議棧層、應(yīng)用層共用一個(gè)全局緩沖區(qū)，不存在數(shù)據(jù)拷貝問題，其發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包都是依靠這個(gè)緩沖區(qū)，極大地節(jié)省了空間和時(shí)間。另外μIP源代碼提供一套實(shí)例程序，包括Web服務(wù)器、Web客戶端、電子郵件發(fā)送、Telnet服務(wù)器、DNS主機(jī)名解析等。μIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和高層應(yīng)用之間的關(guān)系如圖5所示。

μIP相當(dāng)于一個(gè)代碼庫，通過一系列的函數(shù)實(shí)現(xiàn)與底層硬件和高層應(yīng)用程序的通信，對于整個(gè)系統(tǒng)來說它的內(nèi)部協(xié)議組是透明的，從而增強(qiáng)了協(xié)議的通用性。從圖5可以看出μIP協(xié)議棧主要提供了3個(gè)函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用，即uip_init()、uip_input()和uip_periodic()，其與應(yīng)用程序的主要接口是UIP_APPCALL()。

移植μIP協(xié)議棧至8位單片機(jī)，關(guān)鍵步驟包括以下幾點(diǎn)：

①仔細(xì)閱讀μIP協(xié)議源碼，了解μIP主循環(huán)的代碼結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實(shí)際使用的網(wǎng)卡芯片編寫驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡函數(shù)，比如本方案選用的網(wǎng)卡芯片為ENC28J60，則需根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)手冊編寫驅(qū)動(dòng)。

②使用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器為μIP協(xié)議棧中的TCP和ARP作定時(shí)服務(wù)。

③根據(jù)需要修改配置文件uipopt.h/uip—config.h中本地IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、MAC地址、全局緩沖區(qū)的大小、支持的最大連接數(shù)、偵聽數(shù)、ARP表大小等。

④根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要修改、編寫UIP_APPCALL這個(gè)宏定義，如果應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)器則將這個(gè)宏定義改為#“define UIP_APP CALL tcp_server_appcall”，并編寫具體的TCP應(yīng)用函數(shù);如果應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器，則將這個(gè)宏定義改為“#define UIP_APPCALL httpd_appcall”，并編寫具體的Web服務(wù)器應(yīng)用函數(shù)。

(3)μiP協(xié)議的Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

基于UIP協(xié)議的Web服務(wù)器主程序采用中斷加輪詢的方式，輪詢有無網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包輸入，如有則調(diào)用μIP的相關(guān)處理函數(shù)，如無則檢測定時(shí)輪詢中斷是否發(fā)生。這里將STC15F2K60S2單片機(jī)的T1定時(shí)器設(shè)為μIP的定時(shí)輪詢計(jì)數(shù)器，在T1中斷中設(shè)置輪詢標(biāo)志，一旦主程序檢測到這一標(biāo)志，就調(diào)用μip_periodic()輪詢各連接。Web服務(wù)器首先打開80端口的監(jiān)聽，一旦有客戶機(jī)要求連上，μIP內(nèi)部會給它分配一個(gè)連接項(xiàng)等，收到客戶機(jī)IE瀏覽器發(fā)出的GET HTTP請求后，就會生成一幅新的網(wǎng)頁發(fā)給客戶機(jī)。老用戶關(guān)閉了瀏覽器，μIP會自動(dòng)檢測到這一事件并且釋放掉這個(gè)連接項(xiàng)?；?mu;IP協(xié)議棧的Web服務(wù)器程序流程圖如圖6所示。

2 系統(tǒng)測試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否在測井過程中將傳感器收集到的海量數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤并實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問，采用RTC時(shí)鐘芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片以及LM75A溫度傳感器芯片，模擬測井過程中的各路傳感器進(jìn)行測試。系統(tǒng)上電后通過網(wǎng)線及路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，插上U盤至目標(biāo)板，打開PC機(jī)的IE瀏覽器，在地址欄輸入http：//10.10.217.222，回車即可看到彈出一個(gè)新的界面(如圖7左側(cè)所示)，單擊界面中的“開始采集”連接，可以看到目標(biāo)板上U盤指示燈不停閃爍，表示數(shù)據(jù)正在采集，一段時(shí)間過后單擊界面中的“停止采集”，即可看到U盤指示燈停止閃爍，表示數(shù)據(jù)采集結(jié)束，再次單擊“查看已采集的數(shù)據(jù)”連接，彈出一個(gè)新的界面顯示采集到的數(shù)據(jù)信息，如圖7右側(cè)所示。

結(jié)語

本文提出的海量測井?dāng)?shù)據(jù)的以太網(wǎng)訪問方案，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測井系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集存儲容量不夠大、設(shè)備移動(dòng)性不夠靈活等不足，使得一些工作在惡劣環(huán)境下的測井系統(tǒng)能在無人值守的條件下安全地進(jìn)行海量數(shù)據(jù)采集工作，避免了測井人員在惡劣環(huán)境中工作時(shí)的安全隱患，具有一定的實(shí)用價(jià)值。