基于FAT16文件系統的嵌入式溫度記錄器

摘要 以ARM7TDMIS為內核的32/16位微控制器LPC2148與SD卡相結合，實(shí)現在SD卡上建立FAT16文件系統。采集的溫度數據以FAT16文件格式存入SD卡，可方便用戶(hù)對溫度數據進(jìn)行讀取與分析。本文描述了溫度傳感器ADT75的工作原理。

關(guān)鍵詞  FAT16  LPC2148  SD卡  數字溫度傳感器  ADT75

　　閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，使得閃存卡（如SD卡、MMC卡等）因其體積小、容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而在嵌入式存儲領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。 FAT16文件系統具有出色的文件管理性能，能被大多數操作系統識別，因此將閃存卡與FAT16文件系統相結合是嵌入式存儲、記錄系統中一個(gè)理想的方案。溫度采集與控制技術(shù)是現代測量、控制系統的一個(gè)重要組成部分。由于傳統的模擬傳感測量溫度系統存在測量精度低、易受干擾、硬件復雜、調試繁瑣等不利因素，而新型單片數字式溫度傳感器具有測量精度高、抗干擾能力強、操作方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，應用范圍越來(lái)越廣泛。本嵌入式數字溫度記錄器以ARM7微處理器 LPC2148、數字溫度傳感器ADT75為基礎，采用大容量SD卡作為存儲介質(zhì)，實(shí)現了FAT16文件系統，為溫度采集與記錄、嵌入式系統的數據存儲提供了一個(gè)理想的解決方案。

1  硬件設計

　　本溫度記錄器的硬件電路實(shí)現簡(jiǎn)單，主要包含2個(gè)部分：SD卡讀/寫(xiě)單元電路、ADT75測溫單元電路。如圖1所示，LPC2148通過(guò)SPI總線(xiàn)讀/寫(xiě)SD卡，通過(guò)I2C總線(xiàn)讀/寫(xiě)ADT75實(shí)現溫度的采集。

圖1  溫度采集器硬件電路

1.1  SD卡與LPC2148的硬件接口設計

　　SD卡是一種基于NAND Flash的存儲卡。由于它具有安全性高、容量大、體積小、功耗低、非易失性等優(yōu)點(diǎn)，目前在嵌入式系統中已取得越來(lái)越廣泛的應用。

　　SD卡支持2種接口模式：SD卡模式、SPI模式[1] 。SD卡模式采用4根數據線(xiàn)并行傳輸，速度快，但協(xié)議實(shí)現復雜；SPI模式雖然速度性能與SD模式相比有所欠缺，但協(xié)議實(shí)現簡(jiǎn)單，操作方便。

　　SD卡共有9個(gè)引腳，在SD模式下與SPI模式下各引腳的定義不相同。在SPI模式下，SD卡1～7引腳依次為片選引腳CS、數據輸入DI、電源地、電源VDD、時(shí)鐘信號CLK、電源地、數據輸出DO,8腳與9腳在SPI模式下保留未用。由于SPI總線(xiàn)通信協(xié)議要求在空閑時(shí)SPI總線(xiàn)應保持高電平，因此CS、DI、DO、CLK應外接10 kΩ左右的上拉電阻。

1.2  ADT75測溫工作原理

　　ADT75ARZ是ADI公司推出的一款低功耗、高分辨率的溫度傳感器。它內含12位A/D轉換器，具有SMBus/I2C兼容接口，有超溫指示輸出引腳，額定工作溫度范圍為-55～+125 ℃，分辨率可達0．062 5 ℃，功耗低，工作電壓是3～5．5 V[2]。其典型應用電路如圖1所示。

　　ADT75的工作過(guò)程如下：ADT75通過(guò)內部的溫度傳感器將采集的溫度轉化為電壓信號。此電壓信號經(jīng)過(guò)內部的∑Δ調節器后輸入至12位A/D 轉換器，A/D轉換后的12位溫度數據存儲于溫度數據寄存器中，并將該溫度數據與溫度限定寄存器的值相比較，如果超過(guò)設定值，則引腳OS輸出有效電平。 OS引腳輸出的有效電平可在配置寄存器中設定。

　　ADT75內部有5個(gè)寄存器： 4個(gè)數據寄存器，1個(gè)地址指針寄存器。4個(gè)數據寄存器分別為配置寄存器、溫度數據寄存器、THYST定值寄存器、TOS定值寄存器。配置寄存器是8位可讀 /寫(xiě)寄存器，可將ADT75設為各種模式，如關(guān)斷、超溫中斷、單步、SMBus報警使能、OS/ALERT引腳極性等；16位溫度數據寄存器是只讀寄存器，溫度值在其中以二進(jìn)制補碼形式存儲，讀取時(shí)先讀取高8位，再讀取低8位；THYST定值寄存器與TOS定值寄存器均為16位可讀/寫(xiě)寄存器，16位數據均以二進(jìn)制補碼形式存儲，它們的默認極限溫度分別為+75 ℃、+80 ℃（TOS存放了超溫限定值，THYST存放了滯后溫度限定值，當測量溫度≥TOS設定的溫度值時(shí)，OS引腳輸出有效電平，直到溫度降至THYST以下時(shí)，OS引腳輸出電平才變?yōu)闊o(wú)效電平）。地址寄存器是一個(gè)8位的寄存器，在讀/寫(xiě)ADT75內部各寄存器時(shí)，需將該寄存器的地址寫(xiě)入地址寄存器中。例如，若要讀取ADT75的溫度數據值，則需將溫度數據寄存器的地址0x00寫(xiě)入地址寄存器中。

　　LPC2148具有兩路標準I2C接口： P0.2與P0.3構成第一路I2C接口，與其他I2C器件通信時(shí)，需接上拉電阻；另一路I2C接口由于內部已配置上拉電阻，因此可不外接上拉電阻。

1.3  32位微控制器LPC2148

　　LPC2148是Philips公司推出的一款支持實(shí)時(shí)仿真的32位/16位的具有ARM7TDMIS內核的微控制器，含有40 KB片內RAM和512 KB片內Flash存儲器，支持ISP與IAP操作[3]。它接口資源豐富，含有2路32位定時(shí)器，1個(gè)USB 2.0 全速設備控制器，2個(gè)支持16C550的串行UART接口，2路支持高速總線(xiàn)的I2C接口，1路SPI接口及片上RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。LPC2148內含 PLL鎖相環(huán)部件，可將主頻提高到60 MHz下運行。LPC2148支持Thumb指令，在代碼規模受到約束的場(chǎng)合，可在Thumb狀態(tài)下運行。LPC2148采用超小LQFP64封裝，工作電壓為3.3 V，適用于工業(yè)控制、醫療系統、訪(fǎng)問(wèn)控制、 通信網(wǎng)關(guān)、嵌入式軟modem等場(chǎng)合。

　　本記錄器主要利用了它的SPI總線(xiàn)接口、I2C接口、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘及豐富的RAM資源等功能單元。LPC2148的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)鐘源可由獨立的32.768 kHz晶振提供，并且RTC部件還有專(zhuān)門(mén)的電源引腳VBAT，它可由外部電池供電。本采集器采用了32.768 kHz外部晶振并使用電池供電，使得在采集器掉電后，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以繼續運行。

2  SD卡FAT16文件系統分析

　　FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件管理系統[4]是由微軟發(fā)布的由MSDOS支持的一種文件管理系統。在FAT發(fā)展過(guò)程中，先后發(fā)布了FAT12、 FAT16、FAT32三個(gè)版本。其中FAT16是指磁盤(pán)的一個(gè)分區最多含有2的16次方個(gè)簇，由于每個(gè)簇的最大存儲空間只有32 KB，因此磁盤(pán)的一個(gè)分區的存儲容量最大為2 GB。由于一般SD卡的容量大小不超過(guò)2 GB，所以SD卡通常只作為一個(gè)分區。

　　SD卡支持FAT12與FAT16文件系統[5]。表1描述了本文中512 MB SD卡的文件系統結構。

表1  512 MB SD卡文件系統結構

　　SD卡中的保留扇區，一般不應向該扇區寫(xiě)入數據。若寫(xiě)入不正確的數據，則會(huì )破壞SD卡的文件系統結構，導致SD卡在PC機上無(wú)法識別。

　　在FAT文件系統中，BPB（Bios Parameter Block，本分區參數記錄表）是一個(gè)很重要的參數表。它表明了該分區的一系列重要基本參數，例如總扇區數、每個(gè)簇的空間大小、FAT表占用的扇區數等。在SD卡中，保留扇區的第一個(gè)扇區（即分區記錄扇區）的第12～36字節即為BPB。表2給出了BPB各字段的內容及說(shuō)明。

表2  512 MB SD卡BPB各字段內容

　　由于FAT文件系統采用鏈式存儲原理，因此FAT表格中記錄了每個(gè)文件的起始簇號、后繼簇號、終止簇號。本文中，用FAT[i]表明在FAT表中簇號為i的字段的內容，且每個(gè)FAT[i]占用2個(gè)字節。在FAT16文件系統中，由于FAT[0]與FAT[1]默認值為0xFFFF，因此FAT表從FAT[2]開(kāi)始存儲文件的起始簇號與終止簇號，所以文件的起始簇號為0x0002。在FAT表中，用0x0000表明該簇號對應的存儲空間沒(méi)有被文件占用，用0x0002～0xFFFE的值表明起始簇號與存儲后繼內容的下一個(gè)簇的簇號，若一個(gè)文件在簇號為i的存儲空間終止，則應在FAT[i]中寫(xiě)入 0xFFFF。在第2個(gè)FAT表格之后是DIR區，每個(gè)FAT16文件都對應一個(gè)目錄，每個(gè)目錄的大小為32字節。由于DIR占用了32個(gè)扇區，所以在 DIR中總共可有512個(gè)登記項，這也可通過(guò)讀取BPB表中的字段BPB_RootEntCnt得到。

　　如在SD卡上新建FAT文件，應首先在FAT表中查找尚未被使用的簇號，確定文件的起始簇號，并根據文件的大小，確定文件在FAT表格中的終止簇號，在相應的FAT[i]中寫(xiě)入起始與終止簇號。之后應在DIR區申請一個(gè)登記項，實(shí)際上就是在DIR區中建立一個(gè)32字節的文件目錄。最后在數據區對應該文件的扇區上寫(xiě)入文件數據。

3  軟件設計

3.1  SD卡與LPC2148的底層軟件接口設計

　　SD卡在上電復位后，自動(dòng)進(jìn)入SD模式，因此本設計中SD卡與LPC2148的底層軟件接口設計主要是指如何使得SD卡進(jìn)入SPI模式，并在SPI模式下對SD卡的內存單元實(shí)現讀/寫(xiě)操作。

圖2  SD卡初始化流程

　　圖2描述了SD卡在上電復位后的初始化流程。在SD卡上電復位后，SD卡控制器在向SD卡發(fā)送任何命令之前，應向SD卡發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘周期，以等待SD卡完成上電復位過(guò)程，而且此時(shí)控制器應將片選信號線(xiàn)置高。在上電復位完成后，將片選信號線(xiàn)CS置低，即選中SD卡，且發(fā)送軟件復位指令（CMD0），SD卡即可進(jìn)入SPI模式，并且處于空閑狀態(tài)。之后若要對SD卡實(shí)現讀寫(xiě)操作，主機端LPC2148應持續發(fā)送激活指令（CMD1），直到收到SD卡正確的響應數據0x00，表明SD卡已經(jīng)退出空閑狀態(tài)，可以對SD卡寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)以及實(shí)現數據的傳輸操作。

　　在完成上述操作后，應設置一次性寫(xiě)入或者讀取SD卡的數據的長(cháng)度，這可通過(guò)發(fā)送設置塊長(cháng)度指令（CMD16）來(lái)實(shí)現。本設計中設定一次讀/寫(xiě)的數據塊長(cháng)度為512字節。當要讀取、寫(xiě)入SD卡某一數據塊的內容時(shí)，可通過(guò)發(fā)送讀取數據指令（CMD17）、寫(xiě)數據塊指令（CMD24）來(lái)完成。

3.2  讀取溫度值

　　當LPC2148要讀取ADT75各寄存器的內容時(shí)，都需要經(jīng)過(guò)先寫(xiě)入再讀取的步驟。在寫(xiě)ADT75時(shí)，需由地址指針寄存器指出將讀取的寄存器地址。圖3描述了讀取ADT75溫度數據的時(shí)序。

圖3  讀取ADT75溫度數據的時(shí)序

　　由于溫度數據寄存器的地址值為0x0，因此寫(xiě)入地址寄存器的內容為0。在A(yíng)DT75給出應答信號后，LPC2148給出讀信號，即在第9個(gè)時(shí)鐘周期將數據線(xiàn)SDA置為高電平，表明是讀取數據。之后LPC2148讀取溫度數據的高8位，再讀取數據的低8位，且LPC2148應在每個(gè)字節數據讀取結束后，給出低電平的應答信號。當溫度數據完成后，LPC2148傳送結束時(shí)序，結束數據讀操作。在12位溫度數據格式下，讀取的16位溫度數據低4位為 0，將其取補碼后，再除上16（浮點(diǎn)除法），就是實(shí)測的溫度。

3.3  軟件主流程

　　在本溫度記錄器的設計中，利用LPC2148片上RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供的秒中斷、分中斷、天中斷功能實(shí)現ADT75溫度數據的定時(shí)采集、存儲和文件的建立。

　　當RTC的秒中斷時(shí)，LPC2148通過(guò)I2C總線(xiàn)在400 kHz的速率下讀取ADT75的溫度數據，并將溫度數據存于LPC2148內部RAM中。為了便于用戶(hù)使用讀卡器在PC機上讀取存入的溫度數據，每秒鐘存入RAM中的數據為22字節，且均為ASCII字符,數據格式如表3所列。

表3  存儲數據格式

　　其中前4個(gè)字節為溫度的實(shí)時(shí)采集時(shí)間，存儲的時(shí)間內容為時(shí)、分、秒。第1個(gè)溫度數據采用十六進(jìn)制表示；第2個(gè)8字節的溫度數據為轉換后的實(shí)際溫度值，每條記錄均以回車(chē)（ASCII碼為0x0D）、換行（ASCII碼為0x0A）結束。例如，在12時(shí)0分59秒采集的溫度數據為0x1910，則存入RAM中的數據為“120059 1910＋025.625<CR><LF>”。

　　當RTC的分中斷時(shí)，LPC2148將臨時(shí)存于RAM中的數據存入SD卡中。這樣可減少對SD卡的寫(xiě)操作次數，延長(cháng)SD卡的使用壽命。

　　當RTC的天中斷時(shí)，LPC2148將在SD卡上新建一個(gè)新的記事本文件（.txt文件），文件名即為當天的日期，例如2007年10月6日建立的文件名為“071006.txt”。由于每分鐘寫(xiě)入SD卡的數據為22×60＝1 320字節，因此每個(gè)文件的最大容量是1 856 KB。對于一張512 MB的SD卡，可保存約1年的溫度數據。

　　圖4描述了本設計的軟件主流程。在實(shí)現溫度數據的采集與存儲之前，需正確配置LPC2148的SPI總線(xiàn)控制寄存器、I2C控制寄存器及RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘寄存器。

結語(yǔ)

　　ADT75是一款完善的數字溫度傳感器，具有I2C總線(xiàn)接口；LPC2148功能強大，外設接口資源豐富。將LPC2148與ADT75通過(guò) I2C總線(xiàn)相結合，即可實(shí)現分布式多點(diǎn)溫度采集。SD卡FAT16文件系統的實(shí)現方便了用戶(hù)讀取與分析采集的溫度數據。本文為嵌入式系統數據的存儲、溫度數據的分布采集與記錄提供了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。

圖4  軟件主流程

參考文獻

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檀永(碩士)，主要研究方向為信號檢測與控制。