FatFS在離線溫度監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用

王寧 張雷 張征

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一種采用FatFS文件系統(tǒng)的環(huán)境溫度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用溫度傳感器采集環(huán)境溫度，外置定時(shí)芯片確定采樣間隔，SD卡存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，F(xiàn)atFS文件系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)的管理。

【關(guān)鍵詞】FatFS；Freescale；SD

1.引言

發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）是汽車的“神經(jīng)中樞”，對(duì)環(huán)境可靠性有嚴(yán)格的要求[1]，ECU環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備承擔(dān)振動(dòng)、高低溫、壽命等ECU可靠性能實(shí)驗(yàn)的任務(wù)。根據(jù)國(guó)際通行實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則ISO/IEC17025，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度指標(biāo)應(yīng)滿足實(shí)驗(yàn)要求[2]。為建立高標(biāo)準(zhǔn)的ECU環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，需要對(duì)室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行定期檢測(cè)。傳統(tǒng)的環(huán)境溫度記錄方法依靠實(shí)驗(yàn)人員實(shí)施，勞動(dòng)強(qiáng)度大。本文設(shè)計(jì)了一種離線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，采用溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，SD卡存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，F(xiàn)atFS文件系統(tǒng)[3]管理SD卡的數(shù)據(jù)讀寫操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度定期記錄。該系統(tǒng)能減輕實(shí)驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)，提高工作效率。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度采集模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20[4]，其具有一線制數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，9～12位分辨率，測(cè)量范圍為-55～125℃。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用Sandisk 2G SD卡[5]，傳輸速度可達(dá)到100Mbit/s。SD卡模塊工作電壓為TTL電平，而MCU工作電壓為CMOS電平，因此需要在二者間增加轉(zhuǎn)換電路[6]。SD卡支持兩種操作模式，SD模式和SPI模式，考慮到MCU的I/O口資源限制， SPI模式較為常用（如圖2所示）。顯示端采用7段數(shù)碼管，顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度值。MCU采用Freescale推出的16位MC9S12XEP100單片機(jī)[7]，其內(nèi)部PLL超頻能力能顯著降低對(duì)外部頻率源的主頻的需求， XGATE核能協(xié)處理I/O中斷需求，從而降低主核的任務(wù)量。另外，其具有EEPROM、FLASH以及豐富的I/O資源（例如SPI、ECT、CAN2.0等），增強(qiáng)的系統(tǒng)集成性和更好的功能性。定時(shí)模塊采用DS1302芯片[8]，可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與MCU通訊，通過(guò)外置晶振源和紐扣電池實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的RTC定時(shí)功能。

3.軟件設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示，程序主要完成幾個(gè)方面的任務(wù)：首先，周期中斷任務(wù)，系統(tǒng)需要以30分鐘為周期對(duì)環(huán)境溫度采集任務(wù)進(jìn)行定時(shí)中斷；其次，溫度采集任務(wù)，系統(tǒng)對(duì)DS18B20進(jìn)行控制，讀取環(huán)境溫度；第三，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，系統(tǒng)通過(guò)FatFS系統(tǒng)將溫度數(shù)據(jù)存入SD卡中；最后，顯示任務(wù)，系統(tǒng)將溫度數(shù)據(jù)送入數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行板級(jí)初始化，配置MCU等工作。隨后檢測(cè)卡槽是否有SD卡，若檢測(cè)到SD卡，則讀取DS1302芯片預(yù)存的日期時(shí)間信息。此后，啟動(dòng)定時(shí)器并查詢定時(shí)時(shí)間。若定時(shí)時(shí)間到，啟動(dòng)DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行ASCII碼數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。隨后查詢SD卡存儲(chǔ)狀態(tài)，若未滿，則將ASCII碼數(shù)據(jù)存入SD卡，并顯示當(dāng)前溫度值。

3.1 FatFS文件系統(tǒng)的移植

所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用FatFS文件系統(tǒng)進(jìn)行SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)管理。目前FAT文件系統(tǒng)有FAT12、FAT16、FAT32三種格式，其中FAT16支持16MB～2GB，F(xiàn)AT32支持32MB～32GB，可根據(jù)需要靈活選擇。FatF文件系統(tǒng)（Tiny版）是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)，專為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FatFS文件系統(tǒng)遵守ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，完全與磁盤I/O層分離，獨(dú)立于硬件平臺(tái)（FatFS文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示）。FatFS文件系統(tǒng)具有小巧、讀寫簡(jiǎn)易、功能強(qiáng)大、易于移植等特點(diǎn)。

FatFS文件系統(tǒng)的移植需要修改ffconf.h，integer.h以及diskio.c中的六個(gè)底層接口函數(shù)（如表1所示）。其中integer.h涉及FatFS文件系統(tǒng)用到的數(shù)據(jù)類型，ffconf.h涉及FatFS文件系統(tǒng)的功能開關(guān)，可根據(jù)需要進(jìn)行修改。

3.2 SD卡模塊

由于FatFS文件系統(tǒng)的沒(méi)有提供具體型號(hào)MCU的SD的底層操作函數(shù)，用戶需要完成4個(gè)涉及SD卡的底層操作功能，分別是延時(shí)、初始化以及讀/寫字節(jié)功能。在本文中，延時(shí)功能由ECT定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，讀/寫字節(jié)功能由MC9S12XEP100的SPI控制模塊實(shí)現(xiàn)。SD卡初始化后，默認(rèn)為SD模式，需要按照流程圖5，進(jìn)入SPI模式。

3.3 DS18B20讀寫控制模塊

DS18B20讀寫流程如圖6所示。對(duì)DS18B20讀寫前，MCU發(fā)出480us的低電平信號(hào)初始化芯片，延時(shí)60～240us，若得到響應(yīng)，則完成初始化工作。寫操作需要MCU拉低信號(hào)線，產(chǎn)生寫時(shí)隙（>60us）。讀操作需要MCU產(chǎn)生（>1us）負(fù)向脈沖，延時(shí)15us后讀取數(shù)據(jù)。讀取后的數(shù)據(jù)按照?qǐng)D7所示的數(shù)據(jù)格式提取溫度值。

4.結(jié)語(yǔ)

本文采用FatFS文件系統(tǒng)在MC9S12XEP100硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室溫度的離線采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，測(cè)試表明SD卡能正常讀出環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能減輕實(shí)驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

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