基于FAT16文件系統(tǒng)的嵌入式溫度記錄器設(shè)計方案
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1 硬件設(shè)計
本溫度記錄器的硬件電路實現(xiàn)簡單，主要包含2個部分：SD卡讀/寫單元電路、ADT75測溫單元電路。如圖1所示，LPC2148通過SPI總線讀/寫SD卡，通過I2C總線讀/寫ADT75實現(xiàn)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(shè)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，目前在嵌入式系統(tǒng)中已取得越來越廣泛的應(yīng)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(shù)據(jù)線并行傳輸，速度快，但協(xié)議實現(xiàn)復(fù)雜；SPI模式雖然速度性能與SD模式相比有所欠缺，但協(xié)議實現(xiàn)簡單，操作方便。
SD卡共有9個引腳，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(shù)據(jù)輸入DI、電源地、電源VDD、時鐘信號CLK、電源地、數(shù)據(jù)輸出DO,8腳與9腳在SPI模式下保留未用。由于SPI總線通信協(xié)議要求在空閑時SPI總線應(yīng)保持高電平，因此CS、DI、DO、CLK應(yīng)外接10kΩ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(nèi)含12位A/D轉(zhuǎn)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(dá)0．062 5 ℃，功耗低，工作電壓是3～5．5 V[2]。其典型應(yīng)用電路如圖1所示。
ADT75的工作過程如下：ADT75通過內(nèi)部的溫度傳感器將采集的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號。此電壓信號經(jīng)過內(nèi)部的∑Δ調(diào)節(jié)器后輸入至12位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換后的12位溫度數(shù)據(jù)存儲于溫度數(shù)據(jù)寄存器中，并將該溫度數(shù)據(jù)與溫度限定寄存器的值相比較，如果超過設(shè)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(shè)定。
ADT75內(nèi)部有5個寄存器：4個數(shù)據(jù)寄存器，1個地址指針寄存器。4個數(shù)據(jù)寄存器分別為配置寄存器、溫度數(shù)據(jù)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/寫寄存器，可將ADT75設(shè)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(shù)據(jù)寄存器是只讀寄存器，溫度值在其中以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲，讀取時先讀取高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/寫寄存器，16位數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲，它們的默認(rèn)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(dāng)測量溫度≥TOS設(shè)定的溫度值時，OS引腳輸出有效電平，直到溫度降至THYST以下時，OS引腳輸出電平才變?yōu)闊o效電平）。地址寄存器是一個8位的寄存器，在讀/寫ADT75內(nèi)部各寄存器時，需將該寄存器的地址寫入地址寄存器中。例如，若要讀取ADT75的溫度數(shù)據(jù)值，則需將溫度數(shù)據(jù)寄存器的地址0x00寫入地址寄存器中。
LPC2148具有兩路標(biāo)準(zhǔn)I2C接口：P0.2與P0.3構(gòu)成第一路I2C接口，與其他I2C器件通信時，需接上拉電阻；另一路I2C接口由于內(nèi)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時仿真的32位/16位的具有ARM7TDMIS內(nèi)核的微控制器，含有40KB片內(nèi)RAM和512 KB片內(nèi)Flash存儲器，支持ISP與IAP操作[3]。它接口資源豐富，含有2路32位定時器，1個USB 2.0全速設(shè)備控制器，2個支持16C550的串行UART接口，2路支持高速總線的I2C接口，1路SPI接口及片上RTC實時時鐘等。LPC2148內(nèi)含PLL鎖相環(huán)部件，可將主頻提高到60MHz下運行。LPC2148支持Thumb指令，在代碼規(guī)模受到約束的場合，可在Thumb狀態(tài)下運行。LPC2148采用超小LQFP64封裝，工作電壓為3.3V，適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制、 通信網(wǎng)關(guān)、嵌入式軟modem等場合。
本記錄器主要利用了它的SPI總線接口、I2C接口、RTC實時時鐘及豐富的RAM資源等功能單元。LPC2148的RTC實時時鐘的時鐘源可由獨立的32.768kHz晶振提供，并且RTC部件還有專門的電源引腳VBAT，它可由外部電池供電。本采集器采用了32.768kHz外部晶振并使用電池供電，使得在采集器掉電后，RTC實時時鐘可以繼續(xù)運行。
2 SD卡FAT16文件系統(tǒng)分析
FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件管理系統(tǒng)[4]是由微軟發(fā)布的由MSDOS支持的一種文件管理系統(tǒng)。在FAT發(fā)展過程中，先后發(fā)布了FAT12、FAT16、FAT32三個版本。其中FAT16是指磁盤的一個分區(qū)最多含有2的16次方個簇，由于每個簇的最大存儲空間只有32KB，因此磁盤的一個分區(qū)的存儲容量最大為2 GB。由于一般SD卡的容量大小不超過2 GB，所以SD卡通常只作為一個分區(qū)。
SD卡支持FAT12與FAT16文件系統(tǒng)[5]。表1描述了本文中512 MB SD卡的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
表1 512 MB SD卡文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
SD卡中的保留扇區(qū)，一般不應(yīng)向該扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)。若寫入不正確的數(shù)據(jù)，則會破壞SD卡的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致SD卡在PC機(jī)上無法識別。
在FAT文件系統(tǒng)中，BPB（Bios Parameter Block，本分區(qū)參數(shù)記錄表）是一個很重要的參數(shù)表。它表明了該分區(qū)的一系列重要基本參數(shù)，例如總扇區(qū)數(shù)、每個簇的空間大小、FAT表占用的扇區(qū)數(shù)等。在SD卡中，保留扇區(qū)的第一個扇區(qū)（即分區(qū)記錄扇區(qū)）的第12～36字節(jié)即為BPB。表2給出了BPB各字段的內(nèi)容及說明。
表2 512 MB SD卡BPB各字段內(nèi)容
由于FAT文件系統(tǒng)采用鏈?zhǔn)酱鎯υ?，因此FAT表格中記錄了每個文件的起始簇號、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(nèi)容，且每個FAT[i]占用2個字節(jié)。在FAT16文件系統(tǒng)中，由于FAT[0]與FAT[1]默認(rèn)值為0xFFFF，因此FAT表從FAT[2]開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(yīng)的存儲空間沒有被文件占用，用0x0002～0xFFFE的值表明起始簇號與存儲后繼內(nèi)容的下一個簇的簇號，若一個文件在簇號為i的存儲空間終止，則應(yīng)在FAT[i]中寫入0xFFFF。在第2個FAT表格之后是DIR區(qū)，每個FAT16文件都對應(yīng)一個目錄，每個目錄的大小為32字節(jié)。由于DIR占用了32個扇區(qū)，所以在DIR中總共可有512個登記項，這也可通過讀取BPB表中的字段BPB_RootEntCnt得到。
如在SD卡上新建FAT文件，應(yīng)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(jù)文件的大小，確定文件在FAT表格中的終止簇號，在相應(yīng)的FAT[i]中寫入起始與終止簇號。之后應(yīng)在DIR區(qū)申請一個登記項，實際上就是在DIR區(qū)中建立一個32字節(jié)的文件目錄。最后在數(shù)據(jù)區(qū)對應(yīng)該文件的扇區(qū)上寫入文件數(shù)據(jù)。
3 軟件設(shè)計
3.1 SD卡與LPC2148的底層軟件接口設(shè)計
SD卡在上電復(fù)位后，自動進(jìn)入SD模式，因此本設(shè)計中SD卡與LPC2148的底層軟件接口設(shè)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(nèi)存單元實現(xiàn)讀/寫操作。
圖2 SD卡初始化流程
圖2描述了SD卡在上電復(fù)位后的初始化流程。在SD卡上電復(fù)位后，SD卡控制器在向SD卡發(fā)送任何命令之前，應(yīng)向SD卡發(fā)送至少74個時鐘周期，以等待SD卡完成上電復(fù)位過程，而且此時控制器應(yīng)將片選信號線置高。在上電復(fù)位完成后，將片選信號線CS置低，即選中SD卡，且發(fā)送軟件復(fù)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卡實現(xiàn)讀寫操作，主機(jī)端LPC2148應(yīng)持續(xù)發(fā)送激活指令（CMD1），直到收到SD卡正確的響應(yīng)數(shù)據(jù)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/寫以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸操作。
在完成上述操作后，應(yīng)設(shè)置一次性寫入或者讀取SD卡的數(shù)據(jù)的長度，這可通過發(fā)送設(shè)置塊長度指令（CMD16）來實現(xiàn)。本設(shè)計中設(shè)定一次讀/寫的數(shù)據(jù)塊長度為512字節(jié)。當(dāng)要讀取、寫入SD卡某一數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容時，可通過發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令（CMD17）、寫數(shù)據(jù)塊指令（CMD24）來完成。
3.2 讀取溫度值
當(dāng)LPC2148要讀取ADT75各寄存器的內(nèi)容時，都需要經(jīng)過先寫入再讀取的步驟。在寫ADT75時，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(shù)據(jù)的時序。
圖3 讀取ADT75溫度數(shù)據(jù)的時序
由于溫度數(shù)據(jù)寄存器的地址值為0x0，因此寫入地址寄存器的內(nèi)容為0。在ADT75給出應(yīng)答信號后，LPC2148給出讀信號，即在第9個時鐘周期將數(shù)據(jù)線SDA置為高電平，表明是讀取數(shù)據(jù)。之后LPC2148讀取溫度數(shù)據(jù)的高8位，再讀取數(shù)據(jù)的低8位，且LPC2148應(yīng)在每個字節(jié)數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，給出低電平的應(yīng)答信號。當(dāng)溫度數(shù)據(jù)完成后，LPC2148傳送結(jié)束時序，結(jié)束數(shù)據(jù)讀操作。在12位溫度數(shù)據(jù)格式下，讀取的16位溫度數(shù)據(jù)低4位為0，將其取補(bǔ)碼后，再除上16（浮點除法），就是實測的溫度。
3.3 軟件主流程
在本溫度記錄器的設(shè)計中，利用LPC2148片上RTC實時時鐘提供的秒中斷、分中斷、天中斷功能實現(xiàn)ADT75溫度數(shù)據(jù)的定時采集、存儲和文件的建立。
當(dāng)RTC的秒中斷時，LPC2148通過I2C總線在400kHz的速率下讀取ADT75的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)存于LPC2148內(nèi)部RAM中。為了便于用戶使用讀卡器在PC機(jī)上讀取存入的溫度數(shù)據(jù)，每秒鐘存入RAM中的數(shù)據(jù)為22字節(jié)，且均為ASCII字符,數(shù)據(jù)格式如表3所列。
表3 存儲數(shù)據(jù)格式
其中前4個字節(jié)為溫度的實時采集時間，存儲的時間內(nèi)容為時、分、秒。第1個溫度數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制表示；第2個8字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換后的實際溫度值，每條記錄均以回車（ASCII碼為0x0D）、換行（ASCII碼為0x0A）結(jié)束。例如，在12時0分59秒采集的溫度數(shù)據(jù)為0x1910，則存入RAM中的數(shù)據(jù)為“1200591910＋025.625”。
當(dāng)RTC的分中斷時，LPC2148將臨時存于RAM中的數(shù)據(jù)存入SD卡中。這樣可減少對SD卡的寫操作次數(shù)，延長SD卡的使用壽命。
當(dāng)RTC的天中斷時，LPC2148將在SD卡上新建一個新的記事本文件（.txt文件），文件名即為當(dāng)天的日期，例如2007年10月6日建立的文件名為“071006.txt”。由于每分鐘寫入SD卡的數(shù)據(jù)為22×60＝1320字節(jié)，因此每個文件的最大容量是1 856 KB。對于一張512 MB的SD卡，可保存約1年的溫度數(shù)據(jù)。
圖4描述了本設(shè)計的軟件主流程。在實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集與存儲之前，需正確配置LPC2148的SPI總線控制寄存器、I2C控制寄存器及RTC實時時鐘寄存器。
圖4 軟件主流程
結(jié)語
ADT75是一款完善的數(shù)字溫度傳感器，具有I2C總線接口；LPC2148功能強(qiáng)大，外設(shè)接口資源豐富。將LPC2148與ADT75通過I2C總線相結(jié)合，即可實現(xiàn)分布式多點溫度采集。SD卡FAT16文件系統(tǒng)的實現(xiàn)方便了用戶讀取與分析采集的溫度數(shù)據(jù)。本文為嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲、溫度數(shù)據(jù)的分布采集與記錄提供了一個切實可行的解決方案。
參考文獻(xiàn)
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