摘要：本文阐述了智能仪器中大量数据的保存方式，同时设计了一种专门用于海量数据存储的模块。该模块利用电子盘技术进行数据存储，并通过串口通信与众多现场智能设备以及工业控制系统进行数据交互。最终，该模块被应用于智能测产系统，并在实际环境中进行了测试。实验数据表明，该模块具备出色的可靠性，完全符合使用标准。

关键词：海量数据存储 电子盘 精准农业 智能测产

智能仪器在运行过程中，常常需要执行众多数据搜集与保存任务。比如，在实施精准农业时，必须收集田地中众多采样点的经度、纬度、产量及湿度等关键数据。这些采样点数量庞大，随之而来的是海量的数据生成。确保这些实时数据的准确存储，成为了测控系统设计中的核心挑战之一。基于PC的智能设备可以直接将数据以DOS格式或文件形式保存在硬盘上；然而，对于依赖单片机的现场设备来说，由于系统处理速度较慢、缺乏操作系统支持以及存储空间有限等问题，很难达到这样的存储需求。通常情况下，单片机所采用的存储单元RAM或是容量较小的存储芯片，它们普遍存在的一个问题是受到寻址空间的限制，无法满足大量存储的需求。

为此，本研究提出了一种大规模存储模块，其中存储单元选用了容量达到64MB或更高的高容量电子盘，亦称作CF卡。这种CF卡具有体积小巧、重量轻盈、能耗低、存储容量大、读写速度快捷、机械性能优良以及硬件兼容性佳等特点，非常适合用于解决野外现场数据采集系统中数据传输和大容量存储的需求。

该模块由微型处理器芯片、增广输入输出芯片、电子存储盘、IDE连接端口以及串行接口电路等构成。它借助串行端口与外部设备交换指令和数据，利用IDE连接端口对电子存储盘进行操作，而微处理器芯片则负责协调与管控各组件的运作，从而形成一个依托单片机技术的庞大存储系统。

1 存储模块的组成结构

该存储模块由串行端口、微型处理器芯片、输入输出扩展芯片、IDE连接接口以及电子存储盘构成。图1展示了其详细的组成结构。

1．1 CF卡的结构和读写控制

如图1所示，微控制器通过I/O扩展电路以及IDE接口进行控制，对CF卡进行操作。鉴于CF卡与IDE设备接口存在兼容性，故此IDE接口实际上扮演了CF读卡器的角色，实现了从50针CF卡接口到40针标准IDE接口的转换。因此，通过该集成开发环境接口电路，微控制器在读写CF卡时使用的软硬件架构与控制IDE硬盘的完全一致。接下来，我将对该IDE接口进行简要的说明。

图2展示了IDE接口的引脚分布，其中D（15至0）代表数据传输线路，GND表示接地，IOW和IOR分别代表写入和读取的控制信号，同时它们也充当复位信号的角色，/CS0、/CS1以及HA（2至0）则是地址选择信号，而I/O则是用来指示驱动器是否准备就绪的信号。

IDE接口采用寄存器架构设计，所有输入输出操作均通过操作相应的寄存器来完成。

IDE接口的操作时序为：

等待驱动器完成状态寄存器中Bit7（即BUSY位）的清零操作。

向对应寄存器输入操作硬盘所必需的参数，这包括但不限于扇区数寄存器、扇区编号寄存器、柱面编号寄存器以及磁头寄存器等。

（3）向命令寄存器写命令代码。

（4）使中断使能位有效。

（5）等待驱动器置DRY#，发中断请求。

本模块支持IDE接口的两种数据读写模式，分别是基于逻辑块地址的LBA方式和基于柱面、磁头、扇区的CHS方式。其中，本模块采用的是CHS方式。

1．2 系统硬件组成

微控制芯片选用的是51系列的产品，其内部配置了1K容量的RAM（片上RAM）以及64K加上8K字节的内置电可擦除存储器（ROM），具备在线编程（ISP）功能，使得系统开发过程变得异常便捷。在电子盘的读写操作中，必须以扇区为基本单位，每个扇区包含512字节，故而每次读写操作至少需要处理512字节的数据。这就意味着芯片内必须配备一个超过512字节的数据存储空间，因此选用具备1K内存的芯片显得尤为恰当，这样的选择还能避免额外使用外部数据存储器。

串口功能主要是为了进行与外部设备间的指令及数据交换。本设备配备了两个串口，其中之一负责与单片机系统进行信息交流，而另一个则用于与个人电脑建立联系。连接至个人电脑的串口通过一个转换芯片完成电平适配。因此，该模块能够现场接收单片机采集系统的数据并进行即时保存，同时，这些存储的数据也便于个人电脑读取，从而支持后续的数据分析工作。

标准的IDE接口配备了40个引脚，其中控制和数据引脚占据了24个。对于51系列芯片而言，这样的配置难以操控。因此，必须借助I/O扩展芯片，将I/O口数量扩充至24个，以便实现标准IDE接口与微控制器的有效连接。图3展示了扩展I/O电路的示意图，而图4则描绘了CF卡的IDE接口电路。

2 CF卡存储模块的程序结构

该存储模块的CF卡程序是用C51语言编写的，内容涵盖主程序以及初始化、扇区写入、扇区读取以及串口输入输出等子程序。具体程序流程可参考图5。串口输入部分通过硬件中断实现。程序具备接收两个串口命令并执行相应数据读写操作的能力。

主程序的核心职责在于静候串口端接收到的指令。一旦串口端出现字符输入，系统将首先对所接收的指令进行真实性验证。若确认其为有效指令，程序便会启动对应的指令处理函数。

初始化子程序负责执行串口和电子盘的初始化操作，包括配置串口的工作模式以及选择恰当的波特率，同时确保电子盘能够正常工作。

系统在接收到串口输入的写入扇区指令后，会设定一个时间限制，在此期间内，系统将等待用户输入扇区编号以及所需写入的数据。若用户在规定时间内未能完成输入，系统将自动转为主程序的等待状态，以此避免系统陷入无休止的死循环。随后，系统将启动IDE接口，并将数据成功写入指定的扇区。

在执行读取扇区操作时，系统会依照既定的时间限制等待用户输入扇区编号，随后从目标扇区中提取数据，并将这些数据通过串口传输出去。

3 存储模块的应用

在实施精准农业的谷物产量实时监测时，必须即时获取收割机作业现场的GPS坐标、移动速度、谷物的即时产量及湿度等关键数据，通过对这些数据进行处理分析，从而获取田间各个位置的作物产量数据，并确保这些信息能够得到及时保存。运用农业专家决策系统对田间采集的产量数据进行深入分析，可以识别出不同土地的生产潜力差异，进而为来年的农业耕作活动提供科学指导，确保实现“按需投入”和“提升资源利用效率”的目标。

为了达成对现场大量数据的储存目标，我们采用了之前提到的存储模块，并将其应用于此在线智能测产系统中。同时，我们通过串口技术，确保了存储模块与测产主控制模块之间的数据交互。测产主控制模块由多个组件构成，包括嵌入式微控制器、GPS接收器、割台传感器、速度传感器、产量传感器以及湿度传感器等，这些组件均被安装在了收割机械上。在小麦、水稻等作物的收割阶段，主控单元对现场收集的传感器信号进行加工处理，随后将这些信号传输至存储单元进行记录。收割作业完成后，将存储单元中的产量数据导入至个人电脑。个人电脑与存储单元之间的数据交换程序是基于VB6.0语言编写的，该程序通过串行接口读取数据，并将数据保存在数据库里。

自2002年5月起，我们多次将此在线测产系统应用于小麦与水稻的收割环节，进行在线测产实验。该系统运行状况良好，确保了数据的稳定存储与高效读取。在实验过程中，我们收集了丰富的现场数据，为深入开展精准农业研究打下了坚实的基石。

本篇文章对基于单片机的智能仪器在处理海量数据方面的存储技术进行了探讨，并开发出一个通用的模块。为检验其效能，该模块亦被纳入精准农业的智能测产系统之中。实验结果证明，该模块不仅成本较低，而且运行稳定可靠，为嵌入式测控系统的数据及工作参数的储存问题提供了一种有效的解决方案。作者：索远强、周国祥、苗玉彬、刘成良 来源：电子技术应用