引言

本課題研究的數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)可應(yīng)用于在大型海域進(jìn)行的水中爆炸效能參數(shù)測試的分布式測試系統(tǒng)中,，整個系統(tǒng)中基站與主站通過無線傳輸。由于在海域中的測試環(huán)境比較惡劣,，對于測試設(shè)備的布置比較困難,，因此有時需要在短時間內(nèi)做多次重復(fù)性實驗。重復(fù)性實驗就要求將每次所采集的數(shù)據(jù)實時回傳處理或存儲管理,，為下次實驗作準(zhǔn)備,。本系統(tǒng)所采用的無線傳輸方式?jīng)Q定不可能在短時間內(nèi)把大量數(shù)據(jù)回傳。NAND Flash存儲器作為一種非易失,、大容量,、可擦除與重復(fù)性編程等優(yōu)點，在其內(nèi)部構(gòu)建文件系統(tǒng),，把多次重復(fù)性采集的多種數(shù)據(jù)以文件格式存儲,，可為系統(tǒng)由無線傳輸引起的瓶頸提供另一種解決方案。在存儲沖擊波數(shù)據(jù)時,，沖擊波信號有其典型的特征(最大值特征),，可提取其最大值特征作為該文件的信息一同存儲。事后數(shù)據(jù)快速分析處理時,，最關(guān)心的是沖擊波壓力峰值(即最大值),，因此可通過傳輸特征值少量數(shù)據(jù)快速分析提高系統(tǒng)實時性。

1 系統(tǒng)組成

本課題研究的數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)是分布式測試系統(tǒng)基站的重要組成部分,。該模塊實現(xiàn)了對沖擊波數(shù)據(jù),、水聲定位信號、環(huán)境溫度等多種數(shù)據(jù)的存儲管理,，為事后數(shù)據(jù)分析處理提供可靠保證,，并通過與基站中的無線收發(fā)模塊通信，實現(xiàn)與主站的通信,。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,。數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)主要由單片機與CPLD組成，本系統(tǒng)通過在CPLD內(nèi)部擴(kuò)展SPI接口電路,，完成沖擊波,、水聲定位等信號的存儲;并在NAND Flash存儲器中構(gòu)建文件系統(tǒng),，實現(xiàn)對多種大量數(shù)據(jù)的存儲管理。

2 數(shù)據(jù)傳輸接口電路設(shè)計

本數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)以單片機和CPLD作為核心控制器,。由于單片機的端口,、內(nèi)部串口等資源數(shù)目有限，需在CPLD內(nèi)部擴(kuò)展SPI接口電路,，不僅簡化了接口和控制,，提高了系統(tǒng)的整體性能及工作靈活性，還使系統(tǒng)擴(kuò)展變得可行,。CPLD擴(kuò)展SPI接口框圖如圖2所示,。

在CPLD內(nèi)部編寫雙向I/O總線、譯碼電路,、時鐘發(fā)生器,、移位寄存器等電路完成SPI接口電路設(shè)計。READY為從機(沖擊波模塊)與主機(數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng))通信時狀態(tài)標(biāo)志位,，供主機與從機通信時查詢使用,。READY為1時，主從機可通信,。

圖3為CPLD擴(kuò)展SPI接口電路讀取沖擊波模塊數(shù)據(jù)時的波形,。bit8為READY信號，從機高電平時主機讀取數(shù)據(jù);bit9為SCK時鐘信號,，主機查詢READY為高時主機產(chǎn)生8個SCK時鐘,，啟動SPI傳輸;bit10為MOSI，主機輸出端口;bit11為MISO,，主機輸入端口,，SCK上升沿讀取數(shù)據(jù)。圖3連續(xù)兩個周期讀取的數(shù)據(jù)為0x07(00000111),、0xb0(10110000),，兩周期時間間隔為20.400μs，傳輸速度可達(dá)4×105bps,。

3 數(shù)據(jù)存儲管理

3.1 存儲管理數(shù)據(jù)特征

在本分布式測試系統(tǒng)實驗時,，所要存儲管理的沖擊波、水聲信號等數(shù)據(jù)的大小,、存儲順序都一定,，是其典型特征。因此存儲數(shù)據(jù)時可以按順序方式存儲,，把每一類數(shù)據(jù)分別以一個文件的形式存儲,，用文件名把沖擊波與水聲信號等進(jìn)行區(qū)別，并且每一文件有其唯一的編號ID。采集參數(shù)信息(如時間,、通道,、頻率、點數(shù),、觸發(fā)延時信息等)作為每個文件的頭信息保存,，事后數(shù)據(jù)分析處理時可先讀取文件存儲狀態(tài)(包括所有存儲文件的頭信息)，然后可為事后分析處理數(shù)據(jù)提供便利,。

3.2 文件系統(tǒng)的設(shè)計

文件系統(tǒng)的具體設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)資源環(huán)境和應(yīng)用需求而定的,，因此在具體的應(yīng)用系統(tǒng)中文件系統(tǒng)會有不同的實現(xiàn)形式。

結(jié)合本課題的存儲器特征：NAND Flash(Samsung K9F1208)是以頁為單位存儲,、以塊為單位擦除，寫入速度快(典型200μs),、擦除速度慢(典型2 ms),。存儲數(shù)據(jù)特征：文件大小是確定的，存儲過程是順序存儲,，且存儲之后不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行再寫入和隨機讀取與修改,。NAND Flash構(gòu)建一種基于塊設(shè)備存儲的文件系統(tǒng)，適合對本課題多次重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲與管理,?；趬K設(shè)備存儲的文件系統(tǒng)是磁盤存儲器常用的文件系統(tǒng)，典型的是FAT文件系統(tǒng),。FAT文件系統(tǒng)技術(shù)成熟,、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)資源開銷小,，結(jié)合本系統(tǒng)使用的NAND Flash特性,，易于在本系統(tǒng)硬件平臺(Atmel ATmega162單片機與Xilinx XC2C256-7 CPLD為核心控制)上實現(xiàn)。

由于NAND Flash不同于一般的磁盤存儲器,，在出廠時允許有一定數(shù)量的壞塊,，需對通用FAT文件系統(tǒng)做相應(yīng)的修改，方可運用于本系統(tǒng),。在NAND Flash中建立無效塊表,，在該表內(nèi)把所有塊的狀態(tài)標(biāo)示出來(如可用0x00表示壞塊、0xff表示有效塊),，這樣在之后的數(shù)據(jù)存儲過程中,，可防止把數(shù)據(jù)寫到壞塊，提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性,。本文件系統(tǒng)由以下幾部分組成：系統(tǒng)記錄區(qū),、無效塊表、文件登記表區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū),。本系統(tǒng)所用的NAND Flash是K9F1208,，生產(chǎn)廠商設(shè)定的存儲空間的第1區(qū)塊必定是有效塊。在設(shè)計時,，將第1區(qū)塊作為存儲器的系統(tǒng)記錄區(qū),，同時在此區(qū)塊中建立無效塊表、文件分配表,、文件登記表,。

①系統(tǒng)記錄區(qū)：存放最重要的文件系統(tǒng)信息，如Flash存儲器的類型,、容量,、版本信息等。

②無效塊表：標(biāo)示所有塊的狀態(tài),。無效塊表存儲在第1區(qū)塊的第1頁到第8頁(共8頁,，每頁512字節(jié)，512×8=4 096,，可把FLash所有塊狀態(tài)標(biāo)示出來),。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果如圖4所示。

③文件登記表：存儲每一個文件的文件頭信息,，存儲在無效塊表之后,。K9F1208每頁有512字節(jié)，每頁存儲一個文件的文件頭信息?，F(xiàn)每一文件頭信息占30字節(jié)(其余系統(tǒng)可擴(kuò)展使用),，主要包括文件名、ID號,、長度,、以及該文件存儲在NAND Flash中的起始、結(jié)束塊號物理地址,。文件登記表的建立為系統(tǒng)查看所有存儲數(shù)據(jù)提供便利,，方便數(shù)據(jù)管理。根據(jù)文件登記表中文件存儲在NAND FLash的首尾物理塊地址信息,，可隨機讀取少量文件數(shù)據(jù)分析,，為系統(tǒng)因無線傳輸大量數(shù)據(jù)的瓶頸提供另一種解決方案。調(diào)試結(jié)果如圖5所示,。

④數(shù)據(jù)區(qū)域：用于存放數(shù)據(jù),，文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配的最小單位是Flash存儲器的一個基本擦除單元,，即一個物理區(qū)塊(16 KB),。

3.3 基于沖擊波數(shù)據(jù)特征提取的數(shù)據(jù)存儲

由于每次實驗沖擊波數(shù)據(jù)量相對于無線傳輸而言比較大(4 MB,，系統(tǒng)實驗無線傳輸需20 min)，如果回傳全部數(shù)據(jù)處理,，系統(tǒng)實時性能比較差,。水中沖擊波信號有其典型的特征，如圖6所示,。Pm為沖擊波壓力峰值信號(即最大值),，事后數(shù)據(jù)分析處理時，最關(guān)心的是沖擊波的壓力峰值附近的數(shù)據(jù),。因此在數(shù)據(jù)存儲時,，可根據(jù)其特征找最大值，并把最大值所存儲的NAND Flash的物理地址作為一個參數(shù)信息保存到文件頭信息中,，如圖5所示,。沖擊波文件信息中有最大值與所存儲位置文件信息。在文件數(shù)據(jù)回傳時,，可依據(jù)最大值所在塊地址信息讀取最大值附近的數(shù)據(jù),，實現(xiàn)基于特征的高效數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)實時性,。圖7為根據(jù)沖擊波文件頭信息讀取最大值附近40 000個點(40 000×2/1024=78.1 25KB)數(shù)據(jù)恢復(fù)波形，實現(xiàn)了基于特征提取的高效數(shù)據(jù)傳輸,。

結(jié)語

此方法提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性,，為系統(tǒng)升級管理更多數(shù)據(jù)模塊提供了可能;針對大量、多種類實驗測試數(shù)據(jù)以及實驗的重復(fù)性,，基于NAND Flash K9F1208存儲器構(gòu)建文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)分類存儲管理,。文件登記表的創(chuàng)建方便了數(shù)據(jù)的管理，為實驗事后數(shù)據(jù)分析處理提供了可靠依據(jù);根據(jù)沖擊波信號的典型數(shù)據(jù)特征,，存儲沖擊波信號時提取其特征信息,，作為文件頭信息保存，可實現(xiàn)基于特征提取的高效數(shù)據(jù)傳輸,。