基于FAT16文件系统的嵌入式温度记录器

时间:2008-09-11

  闪存技术的不断发展,使得闪存卡(如SD卡、MMC卡等)因其体积小、容量大、可靠性高等优点而在嵌入式存储领域得到越来越广泛的应用。 FAT16文件系统具有出色的文件管理性能,能被大多数操作系统识别,因此将闪存卡与FAT16文件系统相结合是嵌入式存储、记录系统中一个理想的方案。温度采集与控制技术是现代测量、控制系统的一个重要组成部分。由于传统的模拟传感测量温度系统存在测量低、易受干扰、硬件复杂、调试繁琐等不利因素,而新型单片数字式温度传感器具有测量高、抗干扰能力强、操作方便、功耗低等优点,应用范围越来越广泛。本嵌入式数字温度记录器以ARM7微处理器 LPC2148、数字温度传感器ADT75为基础,采用大容量SD卡作为存储介质,实现了FAT16文件系统,为温度采集与记录、嵌入式系统的数据存储提供了一个理想的解决方案。

  1  硬件设计

  本温度记录器的硬件电路实现简单,主要包含2个部分:SD卡读/写单元电路、ADT75测温单元电路。如图1所示,LPC2148通过SPI总线读/写SD卡,通过I2C总线读/写ADT75实现温度的采集。

  1.1  SD卡与LPC2148的硬件接口设计

  SD卡是一种基于NAND Flash的存储卡。由于它具有安全性高、容量大、体积小、功耗低、非易失性等优点,目前在嵌入式系统中已取得越来越广泛的应用。

  SD卡支持2种接口模式:SD卡模式、SPI模式[1] 。SD卡模式采用4根数据线并行传输,速度快,但协议实现复杂;SPI模式虽然速度性能与SD模式相比有所欠缺,但协议实现简单,操作方便。

  SD卡共有9个引脚,在SD模式下与SPI模式下各引脚的定义不相同。在SPI模式下,SD卡1~7引脚依次为片选引脚CS、数据输入DI、电源地、电源VDD、时钟信号CLK、电源地、数据输出DO,8脚与9脚在SPI模式下保留未用。由于SPI总线通信协议要求在空闲时SPI总线应保持高电平,因此CS、DI、DO、CLK应外接10 kΩ左右的上拉电阻。

  1.2  ADT75测温工作原理

  ADT75ARZ是ADI公司推出的一款低功耗、高分辨率的温度传感器。它内含12位A/D转换器,具有SMBus/I2C兼容接口,有超温指示输出引脚,额定工作温度范围为-55~+125 ℃,分辨率可达0.062 5 ℃,功耗低,工作电压是3~5.5 V[2]。其典型应用电路如图1所示。

  ADT75的工作过程如下:ADT75通过内部的温度传感器将采集的温度转化为电压信号。此电压信号经过内部的∑Δ调节器后输入至12位A/D 转换器,A/D转换后的12位温度数据存储于温度数据寄存器中,并将该温度数据与温度限定寄存器的值相比较,如果超过设定值,则引脚OS输出有效电平。 OS引脚输出的有效电平可在配置寄存器中设定。

  ADT75内部有5个寄存器: 4个数据寄存器,1个地址指针寄存器。4个数据寄存器分别为配置寄存器、温度数据寄存器、THYST定值寄存器、TOS定值寄存器。配置寄存器是8位可读 /写寄存器,可将ADT75设为各种模式,如关断、超温中断、单步、SMBus报警使能、OS/ALERT引脚极性等;16位温度数据寄存器是只读寄存器,温度值在其中以二进制补码形式存储,读取时先读取高8位,再读取低8位;THYST定值寄存器与TOS定值寄存器均为16位可读/写寄存器,16位数据均以二进制补码形式存储,它们的默认极限温度分别为+75 ℃、+80 ℃(TOS存放了超温限定值,THYST存放了滞后温度限定值,当测量温度≥TOS设定的温度值时,OS引脚输出有效电平,直到温度降至THYST以下时,OS引脚输出电平才变为无效电平)。地址寄存器是一个8位的寄存器,在读/写ADT75内部各寄存器时,需将该寄存器的地址写入地址寄存器中。例如,若要读取ADT75的温度数据值,则需将温度数据寄存器的地址0x00写入地址寄存器中。

  LPC2148具有两路标准I2C接口: P0.2与P0.3构成路I2C接口,与其他I2C器件通信时,需接上拉电阻;另一路I2C接口由于内部已配置上拉电阻,因此可不外接上拉电阻。

  1.3  32位微控制器LPC2148

  LPC2148是Philips公司推出的一款支持实时仿真的32位/16位的具有ARM7TDMIS内核的微控制器,含有40 KB片内RAM和512 KB片内Flash存储器,支持ISP与IAP操作[3]。它接口资源丰富,含有2路32位定时器,1个USB 2.0 全速设备控制器,2个支持16C550的串行UART接口,2路支持高速总线的I2C接口,1路SPI接口及片上RTC实时时钟等。LPC2148内含 PLL锁相环部件,可将主频提高到60 MHz下运行。LPC2148支持Thumb指令,在代码规模受到约束的场合,可在Thumb状态下运行。LPC2148采用超小LQFP64封装,工作电压为3.3 V,适用于工业控制、医疗系统、访问控制、 通信网关、嵌入式软modem等场合。

  本记录器主要利用了它的SPI总线接口、I2C接口、RTC实时时钟及丰富的RAM资源等功能单元。LPC2148的RTC实时时钟的时钟源可由独立的32.768 kHz晶振提供,并且RTC部件还有专门的电源引脚VBAT,它可由外部电池供电。本采集器采用了32.768 kHz外部晶振并使用电池供电,使得在采集器掉电后,RTC实时时钟可以继续运行。

  2  SD卡FAT16文件系统分析

  FAT(File Allocation Table,文件分配表)文件管理系统[4]是由微软发布的由MSDOS支持的一种文件管理系统。在FAT发展过程中,先后发布了FAT12、 FAT16、FAT32三个版本。其中FAT16是指磁盘的一个分区最多含有2的16次方个簇,由于每个簇的存储空间只有32 KB,因此磁盘的一个分区的存储容量为2 GB。由于一般SD卡的容量大小不超过2 GB,所以SD卡通常只作为一个分区。

  SD卡支持FAT12与FAT16文件系统[5]。表1描述了本文中512 MB SD卡的文件系统结构。

  SD卡中的保留扇区,一般不应向该扇区写入数据。若写入不正确的数据,则会破坏SD卡的文件系统结构,导致SD卡在PC机上无法识别。

  在FAT文件系统中,BPB(Bios Parameter Block,本分区参数记录表)是一个很重要的参数表。它表明了该分区的一系列重要基本参数,例如总扇区数、每个簇的空间大小、FAT表占用的扇区数等。在SD卡中,保留扇区的个扇区(即分区记录扇区)的第12~36字节即为BPB。表2给出了BPB各字段的内容及说明。

  由于FAT文件系统采用链式存储原理,因此FAT表格中记录了每个文件的起始簇号、后继簇号、终止簇号。本文中,用FAT[i]表明在FAT表中簇号为i的字段的内容,且每个FAT[i]占用2个字节。在FAT16文件系统中,由于FAT[0]与FAT[1]默认值为0xFFFF,因此FAT表从FAT[2]开始存储文件的起始簇号与终止簇号,所以文件的起始簇号为0x0002。在FAT表中,用0x0000表明该簇号对应的存储空间没有被文件占用,用0x0002~0xFFFE的值表明起始簇号与存储后继内容的下一个簇的簇号,若一个文件在簇号为i的存储空间终止,则应在FAT[i]中写入 0xFFFF。在第2个FAT表格之后是DIR区,每个FAT16文件都对应一个目录,每个目录的大小为32字节。由于DIR占用了32个扇区,所以在 DIR中总共可有512个登记项,这也可通过读取BPB表中的字段BPB_RootEntCnt得到。

  如在SD卡上新建FAT文件,应首先在FAT表中查找尚未被使用的簇号,确定文件的起始簇号,并根据文件的大小,确定文件在FAT表格中的终止簇号,在相应的FAT[i]中写入起始与终止簇号。之后应在DIR区申请一个登记项,实际上就是在DIR区中建立一个32字节的文件目录。在数据区对应该文件的扇区上写入文件数据。

  3  软件设计

  3.1  SD卡与LPC2148的底层软件接口设计

  SD卡在上电复位后,自动进入SD模式,因此本设计中SD卡与LPC2148的底层软件接口设计主要是指如何使得SD卡进入SPI模式,并在SPI模式下对SD卡的内存单元实现读/写操作。

  在SD卡上电复位后,SD卡控制器在向SD卡发送任何命令之前,应向SD卡发送至少74个时钟周期,以等待SD卡完成上电复位过程,而且此时控制器应将片选信号线置高。在上电复位完成后,将片选信号线CS置低,即选中SD卡,且发送软件复位指令(CMD0),SD卡即可进入SPI模式,并且处于空闲状态。之后若要对SD卡实现读写操作,主机端LPC2148应持续发送激活指令(CMD1),直到收到SD卡正确的响应数据0x00,表明SD卡已经退出空闲状态,可以对SD卡寄存器进行读/写以及实现数据的传输操作。

  在完成上述操作后,应设置性写入或者读取SD卡的数据的长度,这可通过发送设置块长度指令(CMD16)来实现。本设计中设定读/写的数据块长度为512字节。当要读取、写入SD卡某一数据块的内容时,可通过发送读取数据指令(CMD17)、写数据块指令(CMD24)来完成。

  3.2  读取温度值

  当LPC2148要读取ADT75各寄存器的内容时,都需要经过先写入再读取的步骤。在写ADT75时,需由地址指针寄存器指出将读取的寄存器地址。图3描述了读取ADT75温度数据的时序。

  由于温度数据寄存器的地址值为0x0,因此写入地址寄存器的内容为0。在ADT75给出应答信号后,LPC2148给出读信号,即在第9个时钟周期将数据线SDA置为高电平,表明是读取数据。之后LPC2148读取温度数据的高8位,再读取数据的低8位,且LPC2148应在每个字节数据读取结束后,给出低电平的应答信号。当温度数据完成后,LPC2148传送结束时序,结束数据读操作。在12位温度数据格式下,读取的16位温度数据低4位为 0,将其取补码后,再除上16(浮点除法),就是实测的温度。

  3.3  软件主流程

  在本温度记录器的设计中,利用LPC2148片上RTC实时时钟提供的秒中断、分中断、天中断功能实现ADT75温度数据的定时采集、存储和文件的建立。

  当RTC的秒中断时,LPC2148通过I2C总线在400 kHz的速率下读取ADT75的温度数据,并将温度数据存于LPC2148内部RAM中。为了便于用户使用读卡器在PC机上读取存入的温度数据,每秒钟存入RAM中的数据为22字节,且均为ASCII字符。

  其中前4个字节为温度的实时采集时间,存储的时间内容为时、分、秒。第1个温度数据采用十六进制表示;第2个8字节的温度数据为转换后的实际温度值,每条记录均以回车(ASCII码为0x0D)、换行(ASCII码为0x0A)结束。例如,在12时0分59秒采集的温度数据为0x1910,则存入RAM中的数据为“120059 1910+025.625<CR><LF>”。

  当RTC的分中断时,LPC2148将临时存于RAM中的数据存入SD卡中。这样可减少对SD卡的写操作次数,延长SD卡的使用寿命。

  当RTC的天中断时,LPC2148将在SD卡上新建一个新的记事本文件(.txt文件),文件名即为当天的日期,例如2007年10月6日建立的文件名为“071006.txt”。由于每分钟写入SD卡的数据为22×60=1 320字节,因此每个文件的容量是1 856 KB。对于一张512 MB的SD卡,可保存约1年的温度数据。

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