基于SD卡的数据采集与管理装置

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于SD卡的数据采集与管理装置。

背景技术

随着科技的发展，数据采集与存储成为自动控制领域的重要组成部分。传统的数据采集装置多采用Flash芯片作为存储介质。该存储方式具有以下缺点：

第一，Flash芯片容量小，无法实现庞大数据的存储；

第二，Flash芯片价格高，增加了装置的设计成本；

第三，Flash芯片通常焊接在电路板上，无法与工控机直接进行数据交互。

发明内容

本发明是为了克服现有数据采集装置采用Flash芯片作为存储介质的技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种基于SD卡的数据采集与管理装置.

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于SD卡的数据采集与管理装置，包括核心单元以及为核心单元供电的电源管理单元，所述核心单元包括主控单元，分别与主控单元连接的数据采集单元、存储单元和通讯单元，以及与通讯单元连接的显示单元。

在上述技术方案中，所述数据采集单元采集传感器的信号，并将采集的相关参数传输给主控单元；所述主控单元对接收的数据进行处理，并通过存储单元实现数据的存储与访问，完成文件的管理，且其经通讯单元与显示单元完成数据的交互，实现数据显示与指令下发。

在上述技术方案中，所述主控单元包括主控芯片，其外部集成复位电路、时钟电路和程序下载电路；所述复位电路由轻触开关控制；所述时钟电路包括晶振和滤波电容；所述程序下载电路包括程序下载口，其一个引脚与轻触开关连接。

在上述技术方案中，所述数据采集单元包括AD采集接口，AD采集接口的每个引脚与主控芯片对应引脚之间均设置分压电路；所述分压电路为多个电阻串联组成。

在上述技术方案中，所述存储单元包括SD卡，以及与实现其与主控芯片连接的SD卡存储接口。

在上述技术方案中，所述存储单元的数据存储区包括目录块和数据块，目录块包括多个以链表的形式在目录块中存储的各属性的数据地址信息，数据块包括多个以链表的形式在数据块中存储的各属性的数据信息。

在上述技术方案中，所述目录块还包括已损坏数据地址信息，数据块还包括已损坏数据信息。

在上述技术方案中，所述所述通讯单元包括串口芯片和隔离芯片；隔离芯片的1、8引脚接电源+3.3V，并通过电阻R23串联；隔离芯片的4、5 引脚接地；隔离芯片的2、3引脚接主控芯片的147、150引脚；隔离芯片的6、7引脚接串口芯片的4、3引脚；串口芯片的1、2、16引脚接+3.3V；串口芯片的8、9引脚接地；串口芯片的5、12引脚分别经滤波电容C5、 C8接地；串口芯片的6、7引脚分别接C7的1、2引脚；串口芯片的10、 11引脚分别接C10的1、2引脚；串口芯片的13、14引脚为芯片的Tx和 Rx引脚；C4、C6和C9为+3.3V的滤波电容。

在上述技术方案中，所述所述显示单元包括工业串口屏以及实现工业串口屏与通讯单元的串口芯片连接的显示单元接口显示单元接口的1引脚接+5V，2引脚接串口芯片的13引脚；3引脚接串口芯片的14引脚；4引脚接地。

在上述技术方案中，所述所述电源管理单元包括电源转换芯片，其内部集成过热保护和限流保护电路；电源转换芯片的1引脚接地，2引脚通过 C12滤波输出+3.3V，3引脚采用+5V输入，并通过C11滤波。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于SD卡的数据采集与管理装置，可快速完成数据的存储与访问，采用SD卡数据进行管理，具备成本低、存储容量大、可直接将数据导入工控机等优点；采取目录块、数据块分区操作方法，提高了装置的数据访问效率。

附图说明

图1是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置的结构示意图；

图2是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中主控单元的电路图；

图3是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中数据采集单元的电路图；

图4是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中存储单元的电路图；

图5是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中通讯单元的电路图；

图6是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中显示单元的电路图；

图7是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中电源管理单元的电路图；

图8是本发明基于SD卡的数据采集与管理装置中SD卡的数据存储区的分区结构图；

图9是应用本发明基于SD卡的数据采集与管理装置的采集与管理方法的流程图；

图10是应用本发明基于SD卡的数据采集与管理装置的采集与管理方法中文件操作方法的流程图。

其中：

1 数据采集单元 2 主控单元

3 存储单元 4 通讯单元

5 显示单元 6 电源管理单元

7 主控芯片 8 程序下载口

9 AD采集接口 10 SD卡存储接口

11 隔离芯片 12 串口芯片

13 显示单元接口 14 电源转换芯片

15 文件存储区的目录块 16 文件存储区的数据块

17 数据地址信息 18 已损坏地址

19 数据信息 20 已损坏数据信息。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明基于SD卡的数据采集与管理装置的技术方案。

实施例1

如图1所示，一种基于SD卡的数据采集与管理装置，包括核心单元以及为核心单元供电的电源管理单元6，所述核心单元包括主控单元2，分别与主控单元2连接的数据采集单元1、存储单元3和通讯单元4，以及与通讯单元4连接的显示单元5；

所述数据采集单元1采集传感器的信号，并将采集的相关参数传输给主控单元2；所述主控单元2对接收的数据进行处理，并通过存储单元3实现数据的存储与访问，完成文件的管理，且其经通讯单元4与显示单元5 完成数据的交互，实现数据显示与指令下发。

如图2所示，所述主控单元包括型号为STM32F407IGT6的主控芯片7，其外部集成复位电路、时钟电路和程序下载电路；所述复位电路由轻触开关控制，可实现手动复位；所述时钟电路包括8MHz的无源石英晶振和滤波电容，可为主控芯片提供稳定的时钟源；所述程序下载电路包括程序下载口8，其一个引脚与轻触开关连接，程序下载口8为采用SWD调试接口，只需6个引脚，节约了主控芯片7的外部资源。

具体的电路连接为：主控芯片7的VSS和37引脚接地，VDD、38和 39引脚接+3.3V，58引脚接下拉电阻R1，166引脚接下拉电阻R2，29、30 引脚分别接时钟电路的晶振X1的1、2引脚，并通过电容C1、C2进行滤波，31引脚分别接上拉电阻R4、程序下载口8的4引脚和轻触开关S1的1 引脚，137引脚经电阻R5下拉后与程序下载口8的1引脚相连，124引脚经电阻R3上拉后接程序下载口8的2引脚；程序下载口8的5引脚接+3.3V， 6引脚接地；轻触开关S1的2引脚接地。

如图3所示，所述数据采集单元包括AD采集接口9以及连接于AD采集接口与主控芯片7之间的分压电路。所述分压电路为多个电阻串联组成。

AD采集接口9采用主控芯片7的专用ADC引脚，为增大电压检测幅度，AD采集接口与主控芯片7之间设置分压电路，即ADC引脚通过电阻串联方法对输入信号进行分压，用户可通过配置预留的两个可选焊接电阻完成数据的采集。

具体的电路连接为：主控芯片的40引脚(PA0)经分压电阻R6、R12 接入9的1引脚；主控芯片的41引脚(PA1)经分压电阻R7、R13接入9 的2引脚；主控芯片的47引脚(PA3)经分压电阻R8、R14接入9的3引脚；主控芯片的50引脚(PA4)经分压电阻R9、R15接入9的4引脚；主控芯片的51引脚(PA5)经分压电阻R10、R16接入9的5引脚；主控芯片的52引脚(PA6)经分压电阻R11、R17接入9的6引脚。

如图4所示，所述存储单元包括SD卡以及与实现其与主控芯片7连接的SD卡存储接口10。

存储单元采用SD卡完成文件数据的存储。SD卡支持SPI和SDIO两种操作模式，本发明采用SDIO模式完成SD卡的驱动。与SPI模式相比， SDIO模式具有响应速度快、传输数据量大等优点。

具体的电路连接为：SD卡经SD卡存储接口10与主控芯片7连接，SD 卡存储接口10的9引脚经上拉电阻R18后接主控芯片的139(PC10)引脚； SD卡存储接口10的1引脚经上拉电阻R19后接主控芯片的140(PC11) 引脚；SD卡存储接口10的2引脚经上拉电阻R20后接主控芯片的144(PD2) 引脚；SD卡存储接口10的7引脚经上拉电阻R21后接主控芯片的117(PC8) 引脚；10的8引脚经上拉电阻R22后接主控芯片的118(PC9)引脚；SD 卡存储接口10的3引脚接地和电容C3的1引脚，C3的2引脚接+3.3V； SD卡存储接口10的4引脚接电源+3.3V；SD卡存储接口10的5引脚接主控芯片的141(PC12)引脚；SD卡存储接口10的6引脚接地。

如图8所示，存储单元中的数据存储区包括目录块15和数据块16，目录块15包括多个以链表的形式在目录块15中存储的各属性的数据地址信息17，数据块16包括多个以链表的形式在数据块16中存储的各属性的数据信息19；目录块15还包括已损坏数据地址信息18，数据块16还包括已损坏数据信息20。

目录块15用于存储不同属性的数据地址信息17；数据块16用于存储具体数据信息19，并按属性分类。在数据访问过程中，主控单元7先通过目录块找15到该属性数据的地址信息17，该地址信息17可直接定位到数据块16下该属性的数据信息19，进而完成数据的访问。该方式成倍减少了文件访问次数，提高了数据的操作效率。

如图5所示，所述通讯单元包括型号为MAX3485的串口芯片12 (RS-485芯片)和型号为ISO7221的隔离芯片11。串口芯片12采用5V供电，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。隔离芯片11能对信号进行有效隔离，完成电平信号的转换，提高抗干扰能力，有效保证RS-485通讯的稳定性。

具体的电路连接为：隔离芯片11的1、8引脚接电源+3.3V，并通过电阻R23串联；隔离芯片11的4、5引脚接地；隔离芯片11的2、3引脚接主控芯片7的147(PD5)、150(PD6)引脚；隔离芯片11的6、7引脚接串口芯片12的4、3引脚。串口芯片12的1、2、16引脚接+3.3V；串口芯片12的8、9引脚接地；串口芯片12的5、12引脚分别经滤波电容C5、 C8接地；串口芯片12的6、7引脚分别接C7的1、2引脚；串口芯片12 的10、11引脚分别接C10的1、2引脚；串口芯片12的13、14引脚为芯片的Tx和Rx引脚；C4、C6和C9为+3.3V的滤波电容。

如图6所示，所述显示单元包括工业串口屏以及实现工业串口屏与通讯单元的串口芯片12连接的显示单元接口13。工业串口屏采用DWIN(迪文)公司研制的DMT64480S056工业串口屏，该串口屏分辨率为800*480，电源可选3.3V/5V，接口可选RS232/RS485，内部集成列表显示、控件指令、数值显示、数据录入等功能模块，用户可通过该功能模块完成文件系统的管理。

具体的电路连接为：显示单元接口13的1引脚接+5V，2引脚接串口芯片12的13引脚；3引脚接串口芯片12的14引脚；4引脚接地。

如图7所示，所述电源管理单元包括型号为LM1117-3.3的电源转换芯片14，由于核心单元采用+5V电源适配器供电，电源转换芯片14实现+5V 至+3.3V电压的转换，电源转换芯片14内部集成过热保护和限流保护电路，输出电压精度在±1％以内，可为核心单元的各组成单元提供稳定的电压输出。

具体的电路连接为：电源转换芯片14的1引脚接地，2引脚通过C12 滤波输出+3.3V，3引脚采用+5V输入，并通过C11滤波。

实施例2

如图9所示，应用实施例1所述基于SD卡的数据采集与管理装置的的数据采集与管理方法，包括以下步骤：

(ⅰ)开始S1；

(ⅱ)系统初始化S2

包含系统时钟、串口通讯、AD采集、显示单元和SD卡底层驱动初始化；

(ⅲ)判读SD卡读取是否超时S3

如果超时执行步骤(ⅸ)，否则执行步骤(ⅳ)；

(ⅳ)读取AD采样值并对采样数据进行处理S4；

(ⅴ)写入SD卡S7

将AD采样数据以固定的格式写入SD卡；

(ⅵ)判断SD卡是否写入成功S8

如果写入成功执行步骤(ⅶ)，否则执行步骤(ⅳ)。

(ⅶ)判断串口是否收到数据访问指令S9

如果是执行步骤(ⅷ)，否则执行步骤(ⅲ)；

(ⅷ)访问SD卡中的文件S10

根据通讯指令访问SD卡中的数据；

(ⅸ)返回报警信息，返回SD卡读取超时信息S5；

(ⅹ)结束S6。

实施例3

如图10所示，以实施例2为基础，所述基于SD卡的数据采集与管理装置中数据读写的方法流程如下：

(ⅰ)SD卡初始化完成S11；

(ⅱ)判断读/写指令S12

如果是读文件指令，执行步骤(ⅲ)，如果是写指令，执行步骤(ⅶ)；

(ⅲ)查询目录块S13

从目录块一一查询数据指针；

(ⅳ)判断数据指针是否存在S14

若找到目录指针，执行步骤(ⅴ)，否则执行步骤(xiv)；

(ⅴ)数据地址定位S15

根据目录块数据指针对数据块地址进行定位；

(ⅵ)读取数据S16；

(ⅶ)查询目录块S17

从目录块一一查询数据指针；

(ⅷ)判断数据指针是否存在S18

若存在执行步骤(ⅸ)，否则执行步骤(xi)；

(ⅸ)根据数据指针对数据块地址进行定位S19；

(ⅹ)写入数据S20；

(xi)在目录块中创建数据指针S21；

(xii)根据数据指针在数据块定位数据地址S22；

(xiii)写入数据S23；

(xiv)结束S24。

本发明的工作原理为；

在STM32F4主控芯片中移植FAT32文件系统，在文本创建过程中将数据存储区分为目录块和数据块两部分；在文件固定的目录块扇区写入不同属性数据的地址信息。在数据访问过程中，先读取目录块数据，并对此数据进行比较，得到不同属性数据地址。在文件固定的数据块扇区写入具体数据信息，并按属性分类。在数据访问过程中，根据目录块得到的数据地址逐一访问数据详细信息。

本发明提供了一种基于SD卡的数据采集与管理装置，可快速完成数据的存储与访问，采用SD卡数据进行管理，具备成本低、存储容量大、可直接将数据导入工控机等优点；采取目录块、数据块分区操作方法，提高了装置的数据访问效率。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。