一种基于嵌入式数据存储系统的优化方法研究

发布时间：2019-09-07 09:47

【摘要】：近些年来,随着需求的不断增加,在野外采集、天文观测、地质勘探、环境监测、航空卫星等众多领域中,对数据采集系统的采集速率要求越来越高。而在这些领域中,很多时候都需要先在现场采集数据,然后再处理数据,所以嵌入式数据传输与存储系统是采集系统的重要组成部分。而随着采集速率的提高,对嵌入式数据传输与存储系统的速率的要求也越来越高。很多情况下是野外作业,环境恶劣,系统需要长时间连续工作要求,这就要求嵌入式设备功耗越低越好。因此,本文针对数据采集的工作特点,试图通过软件优化的方式提高系统的效率,从而得到一个在功耗、传输速度和存储速度等各方面都得到优化的嵌入式数据存储平台。本系统采用低功耗高性能高集成度的STM32F407微控制器,保证了系统的性能与低功耗。系统采用快速以太网进行远距离数据传输,通过USB2.0高速接口实现快速数据存储,使用非易失性存储介质U盘来实现大容量灵活的可移动的数据存储。在低功耗前提下,传统嵌入式系统中网络传输速度较慢,主要的原因是网络协议效率不高,造成嵌入式系统性能不高,这也是本文需要解决的难点。本文针对本系统应用在点对点的简单网络环境里,利用数据零拷贝的思想改进常用的嵌入式网络协议栈LwIP,提高了网络传输的性能。本系统是一套通用的通用的嵌入式数据传输与存储系统,在低功耗前提下,实现了系统的高性能传输与存储,这在很多领域中都将有重要的应用价值。本文的主要工作具体如下： 1、详细介绍基于STM32F407微控制器的低功耗大容量数据传输与存储系统的整体方案设计,并详细描述了各个功能模块的设计原理、选型依据与硬件电路。 2、通过对Lwip/udp协议的优化实现了快速以太网数据传输。 3、改进udp协议实现以太网数据安全传输。 4、利用STM32自带Mass storage固件库实现了高速的USB存储功能。 5、通过FatFS文件系统的移植实现对U盘数据的管理。本文最后讨论了对系统的调试和测试,证明了本系统设计的可行性,说明本系统可以满足稳定高性能的数据传输与存储。
【图文】：

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‘第2章数据传输与存储系统总体方案设计 STM32 （ LAN8720 一?.M 络曊离，—.— /—\~卜丨N ai h主控制器~^■以太1?^芯片「.一 ’变压器：、一…一~t. ., 一■!’ ！：：图2.6以太网接口硬件结构图PHY芯片选用SMSC公司的低功耗以太网收发器LAN8720A。LAN8720A是一款性能、体积小、功耗低、全能型、小尺寸RMII 10/100以太网收发器，支持to-MDIX,灵活的电源管理架构，功率高达储蓄40%相比竞争，变LVCMOS I/O压范围：+1.6NB到+3.6NB，应用广泛。该芯片支持自动协商，各种低功耗模式，用单一 3. 3V电源供电，广泛应用于工业控制、嵌入式应用各种领域。懫用RMII式减少了需要连接的引脚数目，方便信号的布线，微处理器与PHY芯片连接如图2. 7所示。

原理图,以太网接口,原理图

图2.8以太网接口原理图2.4系统软件总体结构设计本系统软件方面需做以下工作：选用适于嵌入式系统开发的Lwip协议栈来实现ip/udp协议，编写以太网PHY芯片驱动，实现网络数据的快速接收；通过采取增加ACK包回应机制改进udp协议，保证网络传输的可靠性；通过移植STM32自带的USB大容量存储设备类固件库编写USB2.0高速接口驱动，实现对U盘的快速数据读写；移植FatFS文件系统，对U盘数据进行组织与管理。USB2.0高速接口可达30MB/S的传输速度，存储端满足系统需求。故软件设计的难点就在于如何优化Lwip协议栈，提高网络传输的性能。本文软件设计的重点是借鉴数据零拷贝技术，，针对本系统应用在点对点的简单网络环境里，优化LwIP协议栈，提高网络传输的性能。最后通过SOCKET(套接字)实现PC机与嵌入式传输系统的网络通信，完成本系统的调试与测试。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP333

【参考文献】