1 引言
海洋多参数浮标系统是根据海洋水文调查、 海洋环境监测和海洋水文气象预报的需求而研制的一种小型的海洋资料浮标 , 其自身具备水温、 气温、 气压、 波浪、 风速、 风向等多水文气象参数的测量能力 , 具备自身卫星定位和卫星数据传输功能 , 可以连续自动地完成对现场海洋水文气象数据的采集和传输。主要用于在海洋中对流、 浪、 风、 温场进行大尺度测量。海洋多参数浮标系统具有组成简单、 成本低廉、 体积小、 重量轻、使用投放方便、 不易遭受人为破坏、 使用环境不受人为限制等特点 , 可在海洋中连续工作几个月乃至几年 , 适用于大面积海洋调查、 海气相互作用研究、 自然灾害和突发性海洋环境污染调查等诸多方面 , 尤其对那些调查船只不易到达海域的气象水文分析和预测预报非常重要。
由于受海洋多参数浮标体积小、 功耗低、 成本低等要求限制 , 数据采集系统在尺寸、 功耗、 成本方面也有特别要求。现有浮标系统多采用 PC 系统 , 如 PC104 等 , 但是该类系统由于功耗较大 , 不适合小型的海洋浮标 , 所以有必要研制一种适合于长期无人值守的、 高可靠性的、 大存储容量、 低功耗的数据采集系统。同时数据存储部分要求存储介质体积小、 可靠性高、 速度快、 通用性好、 抗震能力强等。在现有的大容量的闪存卡中CF 卡采用插针式连接方式 , 具有相对较高的抗震性和可靠性 , 能较好地满足海上工作的需要。
2 CF 卡与 MSP430 接口硬件设计
参照功耗低和可靠性高等原则 , 系统选用了 TI 公司的 MSP430 系列的 F149 单片机。 MSP430 系列具有处理速度快、 功耗低、 体积小等特点。 MSP430 可以工作在 1. 8 ～ 3. 6 V 电压下 , 有 4 种低功耗模式 , 在 1 MHz的时钟下运行耗电电流在 0.1 ～ 400 μ A 之间。 MSP430F149 具有 48 个 I Π O 引脚 , 每个 I Π O 口都有复用功能 , 另外 P1 、 P2 口还具有中断功能 , 这样大大的增强了端口的功能和灵活性 , 提高了对外围设备的开发能力。
CF 卡是由美国 SanDisk 公司于 1994 年推出的 , 支持 5V Π 3.3V 双重电压 , 并支持多种接口访问模式 ( 如Memory Mapped 模式、 IO Card 模式和 True IDE 模式 )[2], 所以可以方便地适用于各种系统。另外 CF 卡具有内置的控制电路 , 大大简化了外围控制电路的设计。
系统结构图：
3 FAT 文件系统设计
由于系统需要在 CF 卡上建立一个数据文件 , 这样大大简化了程序量 , 提高了 MSP430F149 的效率。文件按照 年份的方式命名 , 例如 2007 年10月15日的数据文件夹名称为 20071015 。
数据按照其不同的特点和作用大致可以分为 5 部分 : 主引导区 (MBR) 、 引导区 (DBR) 、 文件分配表区 (FAT) 、 目录区 (DIR)和数据区 (DATA)[4]。
主引导区用来存放引导程序用于启动和引导操作系统。
引导区记录着 CF 卡的逻辑结构信息和介质标志等。在对CF 卡读写操作中都须用到这些参数信息 , 所以在系统初始化时就要把这些参数读进全局变量中备用。
目录区有多个文件目录项组成 , 每个文件目录项占用 32 个字节。文件目录项包含了文件的文件名、 扩
展名、 属性、 修改时间、 起始簇号和文件长度等。值得注意的是数据采用低位在前、 高位在后的原排列 ,文件系统层中的文件创建子程序流程图如图 2 所示。
图 2 文件创建子程序流程图
图 3 典型应用
4 总结
CF 卡作为存储介质具有容量大、 接口简单、 体积小、 价格低廉和可靠性较高等特点 , 另外 , 结合 FAT32 文件系统 , 可以很方便地存储和回放数据。该系统可以很方便地对存储进行扩展 , 并且功耗低。经过试验 , 该设计完全满足海洋多参数表层漂流浮标系统的设计要求。