基于SD卡的三維激光掃描儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

李世鵬+林強(qiáng)+李欣+郭唐永

摘 要：為了滿足三維激光掃描儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、傳輸速度快等需求，設(shè)計(jì)了基于SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。方案采用4bit的SD模式傳輸數(shù)據(jù)，在三星公司S3C2410芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)，并在此基礎(chǔ)上集成FAT文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡文件的讀寫(xiě)操作。該方案已成功應(yīng)用于三維激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞：SD卡；三維激光掃描儀；4bit的SD模式；S3C2410；FAT文件系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162009

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2016）012-0039-03

0 引言

三維激光掃描儀是一種快速、高效、高精度的三維空間結(jié)構(gòu)信息獲取工具，近年來(lái)發(fā)展迅速，在地形地貌測(cè)量[1]、復(fù)雜工業(yè)設(shè)備測(cè)量與建模、歷史文物保護(hù)[2]、數(shù)字城市建模、農(nóng)林資源調(diào)查[3]以及地質(zhì)地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)[4-5]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

三維激光掃描儀探測(cè)的原始數(shù)據(jù)是由大量目標(biāo)表面激光反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)組成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。探測(cè)點(diǎn)越密集，得到的目標(biāo)三維空間結(jié)構(gòu)就越精細(xì)，需要存儲(chǔ)和處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量也就越大。為了實(shí)現(xiàn)大量三維激光探測(cè)數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)，本文提出了一種基于SD卡的三維激光掃描儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 系統(tǒng)原理

三維激光掃描儀通過(guò)半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光脈沖，照射到被測(cè)目標(biāo)表面產(chǎn)生回波，然后被回波接收系統(tǒng)接收。儀器的高精度時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)比較發(fā)射與接收脈沖之間的時(shí)延差來(lái)估計(jì)儀器與被測(cè)目標(biāo)之間的距離R。結(jié)合掃描儀水平方向和垂直方向上的伺服電機(jī)編碼器角度值，計(jì)算被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)在三維空間中的實(shí)際坐標(biāo)值。實(shí)際坐標(biāo)重構(gòu)如圖1所示。

圖1中，被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)是D，儀器與被測(cè)目標(biāo)之間的實(shí)際距離是R，垂直方向上電機(jī)編碼器對(duì)應(yīng)的掃描角度是θV，水平方向上電機(jī)編碼器對(duì)應(yīng)的掃描角度是θH。

本文將探測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中。每次探測(cè)完成后，用戶可通過(guò)計(jì)算器讀取SD卡中的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行點(diǎn)云重構(gòu)等后續(xù)操作。SD卡是基于Flash的存儲(chǔ)器，具有體積小、重量輕、訪問(wèn)速度快、安全性高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品。

SD卡通信協(xié)議包含SPI和SD兩種模式。SD傳輸模式下，又包含1bit傳輸方式和4bit傳輸方式。4bit傳輸方式速度最快，最高可達(dá)25MBit/s。

本文設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)需要將R、 θV和θH這3個(gè)32位原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SD卡中，而實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量與儀器探測(cè)的脈沖重復(fù)頻率成正比。三維激光掃描儀設(shè)計(jì)最高的探測(cè)脈沖重復(fù)頻率是36kHz，當(dāng)單脈沖只接收到一個(gè)回波信號(hào)時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量就達(dá)到3.456Mbit/s。為保證探測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)完整存儲(chǔ)，不出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏現(xiàn)象，三維激光掃描儀必須采用4bit的SD存儲(chǔ)模式。

2 SD卡訪問(wèn)

嵌入式控制系統(tǒng)是整個(gè)三維激光掃描儀的核心部件，它協(xié)調(diào)控制儀器各功能模塊，主要任務(wù)包括：探測(cè)數(shù)據(jù)的SD卡存儲(chǔ)、TDC-GPX的控制與時(shí)延信息獲取、伺服電機(jī)的掃描角度信息獲取等[6]。三維激光掃描儀采用三星公司的S3C2410芯片作為嵌入式系統(tǒng)的ARM處理器。ARM處理器與SD卡的硬件連接如圖2所示。

S3C2410芯片內(nèi)部集成了SD控制器，SD卡訪問(wèn)所需的底層協(xié)議和硬件接口可通過(guò)芯片的內(nèi)部硬件模塊實(shí)現(xiàn)。ARM處理器通過(guò)CMD命令線對(duì)SD卡發(fā)布命令，SD收到命令后產(chǎn)生R1、R1b、R2、R3、R6和R7六種響應(yīng)，響應(yīng)也是通過(guò)CMD線返回ARM處理器。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)通過(guò)DAT0～DAT3四根數(shù)據(jù)傳輸線完成。

ARM要訪問(wèn)SD，首先需要對(duì)SD進(jìn)行初始化，SD卡的初始化流程如圖3所示。

上電復(fù)位后，ARM芯片首先向SD卡發(fā)送CMD0命令，使其進(jìn)入空閑狀態(tài)；然后ARM再發(fā)送ACMD41命令查詢SD卡的工作環(huán)境寄存器，如果系統(tǒng)符合SD卡的工作電壓要求，SD卡就進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。接著ARM再發(fā)送CMD2命令來(lái)獲取SD卡的CID標(biāo)識(shí)號(hào)，SD卡進(jìn)入識(shí)別狀態(tài)。最后，ARM發(fā)送CMD3命令獲取SD卡分配新的相對(duì)地址RCA，SD卡進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

SD卡完成初始化后，ARM就可對(duì)SD進(jìn)行讀寫(xiě)操作了。SD卡讀寫(xiě)的基本單元是512byte大小的塊。三維激光掃描儀存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前要將數(shù)據(jù)按照512byte為單元打包成塊，寫(xiě)操作流程如圖4所示。

當(dāng)SD卡處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，ARM發(fā)送CMD7命令，使其進(jìn)入傳輸狀態(tài)。三維激光掃描儀采用4bit的SD模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ARM先要發(fā)送ACMD6命令將SD卡的總線寬度設(shè)置為4。然后ARM進(jìn)入三維激光掃描儀的探測(cè)主程序，將探測(cè)結(jié)果打包成512byte大小的數(shù)據(jù)塊。完成打包后，ARM將發(fā)送CMD24命令，然后向FIFO中寫(xiě)數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，ARM發(fā)送CMD7命令，讓SD重新回到待機(jī)狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)塊到來(lái)。SD卡讀操作也是以512byte數(shù)據(jù)塊為單位，利用CMD17命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊讀取，方式與寫(xiě)操作類似。

3 文件系統(tǒng)

利用ARM芯片中集成的SD卡控制器，可以實(shí)現(xiàn)SD卡的讀寫(xiě)訪問(wèn)。要使計(jì)算機(jī)能識(shí)別并讀取ARM所寫(xiě)數(shù)據(jù)，必須使用文件系統(tǒng)來(lái)組織管理ARM處理器對(duì)SD卡文件的訪問(wèn)[7]。

ARM嵌入式程序采用FAT文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)架構(gòu)從上到下分別是：Main函數(shù)、FAT文件系統(tǒng)、SD卡協(xié)議、硬件接口。系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

其中Main函數(shù)就是三維激光掃描儀ARM芯片運(yùn)行的嵌入式主程序，主程序主要完成對(duì)各模塊的控制，還有對(duì)各探測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。采集后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中。而SD卡協(xié)議和硬件接口都是通過(guò)ARM芯片中集成的SD卡控制器完成相應(yīng)操作的。

在ARM程序中建立文件系統(tǒng)，只需將FAT文件系統(tǒng)的相關(guān)文件拷貝到開(kāi)發(fā)工程中，并對(duì)其中的FatInternal.c文件進(jìn)行相應(yīng)編輯，完成SD卡的初始化，以及對(duì)pVol→ReadBlock512（）和pVol→WriteBlock512（）兩個(gè)函數(shù)進(jìn)行修改，利用FAT文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的文件操作。其中，SD卡初始化使用的是SDLIB_Init（）函數(shù)，讀數(shù)據(jù)塊和寫(xiě)數(shù)據(jù)塊分別使用的是SD_ReadBlock512（）和SD_WriteBlock512（）函數(shù)。

FAT文件系統(tǒng)提供了豐富的函數(shù)，使ARM實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的文件讀寫(xiě)操作。Fat_Mount（）為邏輯驅(qū)動(dòng)器注冊(cè)工作區(qū)，F(xiàn)_FileOpen（）用于打開(kāi)SD卡上的源文件，F(xiàn)at_FileRead（）用于讀取文件中的數(shù)據(jù)，F(xiàn)at_FileWrite（）用于寫(xiě)入數(shù)據(jù)，F(xiàn)at_FileExist（）用于關(guān)閉源文件。利用這些文件相關(guān)函數(shù)，就能在SD卡上完成文件操作。

4 結(jié)語(yǔ)

基于SD卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成功集成到三維激光掃描儀上，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。三維激光掃描儀探測(cè)的脈沖重復(fù)頻率達(dá)到36kHz，單次探測(cè)數(shù)據(jù)量達(dá)到65M字節(jié)。存儲(chǔ)于SD卡的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后成功恢復(fù)了探測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云圖。探測(cè)結(jié)果如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)方案完全適用于36kHz以下的三維激光掃描儀的探測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。而且隨著SD卡存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，該方案將會(huì)滿足更多高重復(fù)率的三維激光掃描儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐進(jìn)軍，張民偉.地面3維激光掃描儀：現(xiàn)狀與發(fā)展[J].測(cè)繪通報(bào)，2007（1）：47-50.

[2] 魏薇，潛偉.三維激光掃描在文物考古中應(yīng)用述評(píng)[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2013，25（1）：96-107.

[3] 范海英，李暢，趙軍.三維激光掃描系統(tǒng)在精準(zhǔn)林業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2010（2）：29-31.

[4] 陸益紅，趙長(zhǎng)勝，李明哲，等.三維激光掃描儀在地震中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量，2011 （6）：37-38.

[5] 郭祥，劉卉.三維激光掃描技術(shù)及其在地質(zhì)中的應(yīng)用展望[J].軟件導(dǎo)刊，2009（3）：183-185.

[6] 李世鵬，郭唐永，楊厚麗.三維激光掃描儀嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2016（36）：124-127.

[7] 周躍，沈捷，花魁.基于SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（1）：95-98.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）