一种大容量移动存储的网络访问方案设计

 引言

在工业测井系统中，终端的数据存储、数据转移一直是工作的重要环节。传统工业测井系统的数据存储采用不掉电静态RAM、EEPROM存储模块，数据转移通常是计算机通过RS232串行口读取。

随着USB技术的发展，计算机的移动存储介质普遍采用U盘或移动硬盘。U盘相对于工业测井系统终端原来的存储模块来说是海量存储，所有存储数据无需进行压缩处理，可以在文件级与计算机兼容。与此同时，嵌入式Internet技术的发展又使得互联网技术能够轻松地嵌入到工业测井系统中，通过以太网控制芯片将测井系统终端接入互联网后，编制测井系统终端控制器和网络服务器之间的通信协议，便可以轻松实现通过数据中心网站来控制测井终端的数据采集，而进行数据访问，也无需反复插拔USB接口存储器，仅通过已接入互联网的PC机或其他具有上网功能的移动终端即可实现远程控制海量测井数据的采集、存储及访问。综上所述，具有USB接口的存储设备能实现互联网远程控制、访问USB存储设备的设计方案，对于希望获取海量测井数据的用户来说意义重大。

1 系统设计

系统框图如图1所示，主要是以STC15F2K60S2单片机为核心。单片机收集测井系统中各路传感器采集到的数据信息，通过USB接口芯片存储在大容量U盘中，另外使用以太网控制芯片ENC28J60将系统接入互联网，通过PC机或其他具有上网功能的移动终端远程控制并且访问U盘中的测井数据。

1.1 USB接口芯片CH376模块设计

1.1.1 CH376硬件电路搭建

USB接口芯片CH376模块硬件电路设计如图2所示，单片机与CH376采用的是硬件总线8位并口连接方式。CH376通过8位被动并行接口的D0～D7、RD#、WR#、PCS#、A0直接连接到STC15F2K60S2单片机的系统总线上，其中D0～D7连接STC15F2K60S2的数据总线P0.0～P0.7引脚，RD#、WR#引脚与STC15F2K60S2的对应引脚相连，INT#引脚连到STC15F2K60S2的外部中断INT0上(采用中断方式处理USB数据传输)，PCS#连接STC15F2K60S2的P2.6引脚来控制CH376的使能，A0连接到STC15F2K60S2的P2.0引脚，因此，CH376命令寄存器的地址可选为BDF1H，数据寄存器的地址可选为BCF0H。

1.1.2 CH376软件设计

系统需要将各路传感器收集到的数据信息存入大容量的U盘中，CH376能读写大容量U盘，故可以在U盘中创建文件，将采集到的数据写入该文件中，创建一个EXCEL文件用于存放采集到的数据。

软件操作的具体步骤是：单片机首先发送CMD_SET_USB_MODE命令设置CH376工作在主机模式下，然后调用沁恒公司提供的FILE_SYS文件系统库中的CH376DiskConnect函数等待U盘连接，U盘连接成功后，在进行操作之前必须由单片机发送CMD_DISK_MOUNT进行初始化，并检测磁盘是否准备就绪，确认磁盘准备就绪后，调用文件系统库函数CH376 File Open打开磁盘中已经创建好的文件。当文件创建成功后，为方便向文件中添加数据，还需要将该文件移动到U盘中所有已有文件的末尾。可调用文件系统库函数CH376ByteLocate设定参数为0xFFFF FFFF，即可移动该文件至所有文件之后，以上一切准备就绪后就可以向文件中写入数据了，最后要保存文件并更新文件长度，涉及到的文件库函数是CH376 GetFileSize。在U盘中创建EXCEL文件的软件流程图如图3所示。

1.2 以太网控制芯片ENC28J60模块设计

1.2.1 ENC28J60硬件电路搭建

以太网控制芯片ENC28J60模块硬件电路如图4所示。单片机与ENC28J60采用SPI总线方式连接，由于STC15F2K60S2内部集成了硬件SPI，为了提高网络通信速率，采用硬件SPI方式驱动ENC28J60。STC15F2K60S2内部与SPI总线驱动相关的寄存器有SPI控制寄存器SPCTL、SPI状态寄存器SPSTAT、SPI数据寄存器SPDAT、SPI功能切换寄存器AUXR1。配置好相关寄存器后，将SPI接口的4个引脚(SCKL/P1.5、MISO/P1.4、MOSI/P1.3、SS/P1.2)分别与ENC28J60相应引脚相连，以太网接口采用自带网络变压器和网络通信指示灯的专用网络接口HR911105A。

1.2.2 EN028J60软件设计及嵌入式μIP协议栈移植

(1)ENC28J60的驱动及网络数据的收发 ENC28J60的驱动程序主要分3部分：第一是配置相关寄存器，第二是芯片初始化，第三是收发数

据包，其中最核心的是收发数据包。在收发数据包时有以下几点值得关注：首先ENC28J60具有一个接收过滤器，可以丢弃或接收具有组播、广播或单播目标地址的数据包;其次，在数据字段处，以太网数据字段的长度可以在0～1500字节之间变换，超过这一范围的数据包是违反以太网标准的，将会被大多数以太网节点丢弃。

(2)嵌入式μIP协议栈移植

μIP是由瑞典计算机科学学院(网络嵌入式系统小组)的Adam Dunkels开发的，是专门为8位和16位单片机设计的一个非常小的TCP/IP协议栈。μIP完全用C语言编写，可以很方便地移植到各种不同结构的单片机和操作系统上。μIP协议栈去掉了完整的TCP/IP协议中不常用的功能，简化了通信流程，设计重点放在IP/TCP/ICMP/UDP/ARP这些网络层和传输协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性，而且其占用资源非常少，协议栈代码不到6 KB，RAM只占用几百字节。在设计上μIP采用硬件处理层、协议栈层、应用层共用一个全局缓冲区，不存在数据拷贝问题，其发送和接收数据包都是依靠这个缓冲区，极大地节省了空间和时间。另外μIP源代码提供一套实例程序，包括Web服务器、Web客户端、电子邮件发送、Telnet服务器、DNS主机名解析等。μIP协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图5所示。

μIP相当于一个代码库，通过一系列的函数实现与底层硬件和高层应用程序的通信，对于整个系统来说它的内部协议组是透明的，从而增强了协议的通用性。从图5可以看出μIP协议栈主要提供了3个函数供系统底层调用，即uip_init()、uip_input()和uip_periodic()，其与应用程序的主要接口是UIP_APPCALL()。

移植μIP协议栈至8位单片机，关键步骤包括以下几点：

①仔细阅读μIP协议源码，了解μIP主循环的代码结构。

根据实际使用的网卡芯片编写驱动网卡函数，比如本方案选用的网卡芯片为ENC28J60，则需根据相关数据手册编写驱动。

②使用单片机的一个定时器为μIP协议栈中的TCP和ARP作定时服务。

③根据需要修改配置文件uipopt.h/uip—config.h中本地IP地址、网关地址、MAC地址、全局缓冲区的大小、支持的最大连接数、侦听数、ARP表大小等。

④根据实际应用的需要修改、编写UIP_APPCALL这个宏定义，如果应用程序需要实现TCP服务器则将这个宏定义改为#“define UIP_APP CALL tcp_server_appcall”，并编写具体的TCP应用函数;如果应用程序需要实现Web服务器，则将这个宏定义改为“#define UIP_APPCALL httpd_appcall”，并编写具体的Web服务器应用函数。

(3)μiP协议的Web服务器的实现

基于UIP协议的Web服务器主程序采用中断加轮询的方式，轮询有无网络数据包输入，如有则调用μIP的相关处理函数，如无则检测定时轮询中断是否发生。这里将STC15F2K60S2单片机的T1定时器设为μIP的定时轮询计数器，在T1中断中设置轮询标志，一旦主程序检测到这一标志，就调用μip_periodic()轮询各连接。Web服务器首先打开80端口的监听，一旦有客户机要求连上，μIP内部会给它分配一个连接项等，收到客户机IE浏览器发出的GET HTTP请求后，就会生成一幅新的网页发给客户机。老用户关闭了浏览器，μIP会自动检测到这一事件并且释放掉这个连接项。基于μIP协议栈的Web服务器程序流程图如图6所示。

2 系统测试结果

为了验证系统能否在测井过程中将传感器收集到的海量数据存入U盘并实现互联网远程访问，采用RTC时钟芯片、A/D转换芯片以及LM75A温度传感器芯片，模拟测井过程中的各路传感器进行测试。系统上电后通过网线及路由器接入互联网，插上U盘至目标板，打开PC机的IE浏览器，在地址栏输入http：//10.10.217.222，回车即可看到弹出一个新的界面(如图7左侧所示)，单击界面中的“开始采集”连接，可以看到目标板上U盘指示灯不停闪烁，表示数据正在采集，一段时间过后单击界面中的“停止采集”，即可看到U盘指示灯停止闪烁，表示数据采集结束，再次单击“查看已采集的数据”连接，弹出一个新的界面显示采集到的数据信息，如图7右侧所示。

结语

本文提出的海量测井数据的以太网访问方案，弥补了传统测井系统数据采集存储容量不够大、设备移动性不够灵活等不足，使得一些工作在恶劣环境下的测井系统能在无人值守的条件下安全地进行海量数据采集工作，避免了测井人员在恶劣环境中工作时的安全隐患，具有一定的实用价值。