基于MSP430F5529和SD卡的FAT16文件系統的設計

夏　蘭，賈曉冬，曲文博

(1.東南大學生物科學與醫學工程學院，南京210096; 2.上海瑞示電子科技有限有限公司，上海201202)

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基于MSP430F5529和SD卡的FAT16文件系統的設計

夏蘭1*，賈曉冬1，曲文博2

(1.東南大學生物科學與醫學工程學院，南京210096; 2.上海瑞示電子科技有限有限公司，上海201202)

摘要:針對無法保存長時間監測產生大量數據的問題，設計開發了一種基于MSP430單片機和SD卡的FAT16文件系統。利用SPI總線與SD卡通信，實現對SD卡的數據讀寫，在SD卡中以FAT16文件格式建立相應的文件系統，使其為Windows操作系統識別，方便后期的數據處理。該系統在大容量的現場數據采集、存儲等方面有著廣泛的應用前景。將該設計應用于便攜式心電監護儀上，有較高的應用價值。

關鍵詞:MSP430F5529; SD卡; FAT16文件系統; SPI; USB

近年來，便攜式醫療電子市場增長勢頭非常迅猛，有數據顯示，中國市場的年復合增長率已連續5年保持在20%～30%的增長［1］。隨著便攜式醫療電子產品發展趨勢日益明顯，家用便攜式生理信號監護設備正逐漸走入人們的生活，便攜式醫療儀器的發展迎來了前所未有的機會。針對便攜式醫療電子產品不僅要求低電壓、低功耗、小型化、高精度和高可靠性，而且要求存儲數據容量大。本研究采用大容量SD卡作為存儲介質，利用TI公司的MSP430微功耗單片機，實現了FAT16的文件系統，為生理信號采集與記錄、便攜式醫療系統的數據存儲提供了一個理想的解決方案。

1　系統結構

系統設計以msp430f5529 16位超低功耗微處理器為核心，利用串行外圍設備接口總線與SD卡相連，實現系統長時間采集和海量數據記錄，同時在LCD上通過菜單對SD卡中記錄的數據進行讀寫操作。為方便微處理器和PC機對SD卡的操作，在SD卡中構建了FAT16格式相應的文件系統，PC機通過USB方便在Windows操作系統上直接讀取SD卡上的數據文件或用專用讀卡器讀取，進而進一步對數據進行處理，這對事后分析有著非常重要的作用。整個系統的結構示意圖如圖1所示。

圖1　系統結構示意圖

2　SD卡接口

2.1SD卡接口設計

SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導體閃存工藝的存儲卡，具有大容量、高性能、體積小、口線少、數據傳輸速率快、極大的移動靈活性以及很好的安全性［2］、操作方便等特點非常適合應用在長時間存儲大量數據的測量系統中。因此采用SD卡作為便攜式醫療電子產品的存儲介質是很好的解決方案。SD卡引腳外形如圖2所示，其引腳功能詳述如表1所示。SD卡支持1位/4位兩種數據傳輸帶寬，時鐘最高頻率為25 MHz，理論上最高數據傳輸速率為12.5 Mbyte/s［3］。

圖2　SD卡引腳外形圖

表1　SD卡引腳功能詳述［4］

SD卡與主機的通訊分為兩個模式:SD模式和SPI模式［5］。SD模式允許通過6線制(CLK、CMD、DAT0～DAT3)高速總線傳輸數據，但大部分微處理器無此接口，而使用軟件模擬協議較復雜，會降低數據傳輸速率。串行外設協議接口SPI(Serial Peripheral Interface)方式下外圍設備接口簡單，僅需要4根線CS、SCLK、DI(MOSI)、DO(MISO)，就能完成數據通信。況且大多數微處理器提供此接口，SPI協議簡單，也易于軟件模擬實現，故本設計選擇SPI模式與主控器進行通信［6］。主控器采用MSP430F5529微處理器，它是一款高集成度、高性能處理、低成本的超低功耗單片機，具有128 kbyte閃存、8 kbyte RAM、USB接口、12位ADC、16位RISC架構、5種低功耗模式，具有強大的中斷功能，集成了較豐富的片內外設和較多的I/O端口，提高了對外圍設備的開發能力，其供電電壓范圍為1.8 V～3.6 V［7］，與SD卡的工作電壓兼容，因而可以直接與SD卡相連，無需電平轉換電路。MSP430F5529主控器與SD卡連接電路如圖3所示。MSP430F5529利用SPI對SD卡進行讀寫操作，SPI方式下主機和外圍設備是以主從方式進行工作的，此種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件，在本設計中MSP430工作于主模式下，SD卡工作于從模式下［8］:

圖3　MSP430F5529主控器與SD卡連接電路圖

(1)MOSI為主器件數據輸出，從器件數據輸入; (2)MISO為主器件數據輸入，從器件數據輸出; (3)SCLK為時鐘信號，由主器件產生; (4)CS為從器件使能信號，由主器件控制。

串行外設協議消息由指令、回應和數據塊組成，所有的操作均由主器件控制。主器件每次開始傳送任務時，都先將片選端置低電平，以激活串行器件進入工作狀態。SPI傳輸時序如圖4所示。

圖4　SPI傳輸時序

當CS為高時，串行同步時鐘處于空閑狀態，當CS為低電平時，串行時鐘開始工作，時鐘上升沿時數據由主機傳送至串行設備，時鐘下降沿時數據通過MISO輸入主機，數據傳輸時由高位開始，在串行時鐘的控制下按位傳輸。當CS上升沿時，結束所有數據傳輸，并清零內部計數器和命令字寄存器。

SD卡在SPI方式下通訊主要有以下特點［8］:

(1)被選中的卡要對來自于主器件的指令有所響應;

(2)指令的響應是一個8 bit結構;

(3)當卡接受錯誤時，會返回一個出錯的響應，代替期望的數據;

(4)支持單塊和多塊讀寫操作。塊的大小可以大到一個扇區(512 byte)，小到1 byte，一次操作的具體長度可以在CSD寄存器中設定。

2.2SD卡操作

SD卡的底層操作包括SD卡初始化、寫入和讀取，利用單片機的通用串行口可以很容易的完成這些工作。SD卡上電后的默認模式是SD模式，必須通過初始化命令進入SPI模式。單片機向SD卡發送CMD0被成功接收后，SD卡會向單片機返回0x01，進入idle_state模式。然后再發送CMD1，接受到正確的返回值0x00后即表示完成初始化操作。需要注意初始化時SPI速率不能超過400 kHz，發送CMD0之前要向SD卡發送至少74個時鐘周期來使SD卡達到正常工作電壓，此時片選CS為高;發送CMD0，此時片選CS才能為低［9］。SD卡初始化流程如圖5所示。

完成初始化之后SD卡即可進行讀寫操作。SD卡寫入數據時，先要利用CMD16設置區塊長度，再將地址參數送入CMD24，即可寫入單個區塊，寫入多個區塊就是將上述步驟進行循環操作，易于改變。SD卡寫入數據的流程圖如圖6所示。SD卡讀取數據時，同樣要設置區塊長度，然后再利用CMD17讀取數據。

圖5　SD卡初始化流程圖

圖6　SD卡寫入數據流程圖

3　FAT16文件系統

在本系統設計中，單片機對SD卡中文件進行操作，實現新建目錄、文件，刪除目錄、文件等基本文件系統的操作功能，以及要使SD卡上的數據在PC機上得到正確的訪問，需要在SD卡上創建它們支持的文件系統，這就需要設計自己的文件管理系統FAT［10］。FAT文件系統有FAT12、FAT16、FAT32，它們的主要不同是在磁盤分配表結構中每個記錄所占的位數不同。本設計選擇建立應用最為廣泛的FAT16文件系統，FAT16文件分配表每一表項為16位。FAT16文件是Microsoft開發的文件系統，是一種技術成熟、結構簡單、系統資源開銷小，易于在單片機上的硬件平臺上實現的文件系統。

3.1FAT16文件系統結構［11］

FAT16文件系統的結構如圖7所示，和其他FAT文件系統一樣，FAT16文件系統的數據信息一般由MBR區、DBR區、FAT區、DIR區和DATA區5個部分組成。這些結構是在分區被格式化時創建出來的，它們的含義如圖7所示。

圖7　FAT16文件系統的結構圖

①主引導記錄區MBR(Main Boot Recorder)位于SD卡物理磁盤0扇區，存放SD卡啟動代碼，內容一般固定，中間有一段硬盤分區記錄表DPT(Disk Partition Table)記錄了各邏輯分區的相對偏移。SD卡不支持多分區，在1個SD卡中只有一個分區，因此DPT中只有一個表項被占用。

②系統引導記錄區DBR(DOS Boot Record)位于邏輯磁盤0扇區，是操作系統可以直接訪問的第1個扇區，DBR區包含兩個部分，一個是引導程序，另一個是BPB(Bios Parameter Block)參數記錄表。BPB記錄著本分區的根目錄大小、FAT個數、磁盤介質描述、分配單元大小等重要信息。

③FAT表(File Allocation Table)是給文件分配數據空間的表格，用于文件內容的索引和定位，是一個以簇為單位的鏈式結構，又稱簇鏈。每個簇包含2n(n為整數)個數據區的扇區，在對SD卡格式化時生成。FAT表中的每個表項對應數據存儲區中的1個簇，用以表示簇的存儲使用情況。由于FAT表對于文件的重要性，FAT16文件系統有兩個FAT表，FAT2是FAT1的備份，可以保證在FAT1被破壞的情況下通過FAT2修復文件。

④DIR區(Directory)是根目錄區，緊接著第2 個FAT表(FAT2)之后，記錄著根目錄下每個文件的起始簇號、大小等屬性。操作系統根據DIR中文件的起始簇號和大小，結合FAT表來定位文件。

⑤DATA區存放各種數據。是FAT16文件系統主要區域。通過READ或WRITE命令從相應的扇區讀取數據，或是將特定長度的數據寫入相應的簇中。3.2 FAT16文件系統操作［11］

為了方便數據的存儲與管理，實現FAT16文件系統操作，首先要進行初始化，即讀取SD卡的系統引導記錄區，獲得各區塊的位置以及分配單元大小等參數，通過這些參數可以換算出每個簇的邏輯地址，用于對文件系統的操作。

單片機對文件的操作主要有創建文件、讀取文件、寫入文件和刪除文件。文件操作的基本思路就是通過讀取SD卡，在根目錄中找到文件的起始簇號和大小，再到FAT表中找到整個文件存放的位置，然后到存放文件的扇區做相應數據操作。

讀取SD卡上的文件，首先要根據文件名在根目錄區中查找到該文件的目錄登記項，根據目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數據區中第1簇的內容，又可在FAT表中找到接下來存放文件的簇號。由此，可以讀取全部文件數據。向SD卡寫文件，要保證FAT1和FAT2中內容的一致性，即對兩塊都要進行同樣的寫操作。

文件創建則是根據所需大小在根目錄中創建文件項的過程，在FAT表中找到最靠前空置的簇，并將起始簇號等信息寫入根目錄區，再根據文件大小在FAT表中構成簇鏈。最后將FAT表進行復制，填入FAT2。

文件刪除操作是直接將根目錄區所對應的項清空，再將文件對應的FAT簇鏈清空。

文件系統層的操作是在底層之上，可以直接由函數調用，利用按鍵和顯示屏，能夠輕易地實現對SD卡中文件的讀取、寫入、創建和刪除。此外，本設計在此基礎上做了一定擴展，配備了可以直接連接PC的USB端口，能夠被電腦識別，以文件的形式在Windows下訪問SD卡中的數據。

4　USB傳輸

在SD卡上創建了Windows支持的FAT16文件系統后，PC機通過USB接口在Windows下直接讀取SD卡上所記錄的數據文件，方便后期的數據處理和分析。

4.1USB接口設計

MSP430f5529的USB模塊集成了12 Mbit/s全速USB收發器;多達8個輸入、輸出的數據傳輸;支持控制、批量和中斷數據傳輸;支持USB掛起、恢復和遠程喚醒［7］。本設計如圖8所示的USB接口電路圖。電路中利用PUR完成D+信號的上拉，使主機能夠識別當前設備為全速USB設備，同時利用TPD2E001DRLR芯片提供電流過載保護。

圖8　USB接口電路圖

4.2USB識別過程

當一個設備插入USB主機的集線器中時，設備在D+線上的上拉電阻將使集線器中信號線電位升高，主機就能自動識別設備［12］。將主機和設備接通后，開始對設備進行枚舉。枚舉是主機從設備讀取各種描述符信息，再根據這些信息來加載合適的驅動程序。枚舉的過程主要有如下幾步:

(1)主機對設備進行復位，建立控制傳輸過程，設備會在主機的指令下返回設備的描述符;

(2)主機對設備再次進行復位，對新設備設置地址;

(3)主機從新的設備地址，再次獲取設備描述符;⑷主機獲取配置描述符以及字符串描述符;

枚舉過程結束后，主機就會根據設備信息做出響應。

4.3USB傳輸過程

系統的主要功能在于文件數據的傳輸，而包(Packet)是USB系統中信息傳輸的基本單元，一個包分成不同的幾個域，不同類型的包含有不同的域，但是值得注意所有的包都是以同步域開始，緊跟著一個包標識符PID(Packet Identifier)，最終以包結束符EOP(End of Packet)來結束這個包［13］。

在USB的傳輸中，制定了4種傳輸類型:控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸以及實時傳輸。

本文件系統數據量大采用了批量傳輸，當系統通過USB端口和PC機相連后，能夠進入枚舉識別過程，并以大容量存儲設備的形式進行識別，同時利用TI官方提供的PC機驅動，以可移動磁盤的形式打開瀏覽SD卡，讀取其中以Windows標準文件存儲的內容，從而實現了SD卡中數據和PC機的交互。

5　實例應用

本設計應用于便攜式心電監護系統上，取得了良好的效果。便攜式心電監護系統需要將基于MSP430 和SD卡的FAT16文件系統配合心電模擬前端來實現對人體心電信號的采集、存儲。心電信號的拾取是通過電極在體表檢測兩個部位間的電位差來完成的。從體表取出的心電信號，電位變化約為0.01 mV～5 mV，頻率范圍為0.05 Hz～100 Hz。由此可以看出，心電信號比較微弱，心電信號必須經過前置放大、濾波等一系列處理后，方能作為醫生診斷等的依據。因此心電模擬前端主要由前端放大電路，濾波電路，放大電路等模塊組成。如圖9所示心電模擬前端電路。

圖9　心電模擬前端電路

由于心電信號非常微弱需要經過前置放大，它主要由高輸入阻抗、高共模抑制比的儀表放大器INA118來實現對兩個導聯信號進行差模放大，以右腿處電位作為共模端，來提高共模抑制比，從而避免心電信號的失真，經過前置放大的信號還需要再進行主要包括高通、低通和帶阻濾波，得到頻段為0.05 Hz ～100 Hz的心電信號，最后對信號再進行放大。整個前端模擬放大器噪聲指標要小，不能引入新的干擾，要保證信噪比足夠高。至此由標準導聯拾取到的心電信號通過如圖9所示的放大、濾波的過程處理之后經MSP430的AD采集，可存儲在采用FAT16文件系統的SD卡中，SD卡的容量完全滿足記錄病人的心電數據的需求，事后可通過USB或讀卡器將存儲在SD中的心電數據傳輸到PC機上，便于醫生對病人心電的回放和分析，為其診斷和治療提供了重要信息。

實物成品圖片展示如圖10所示。

圖10　實物圖

6　結語

本文利用低功耗MSP430f5529單片機在SD卡上構建FAT16文件系統，并以采集、記錄人體心電信號為例簡述了該系統可長時間、連續將大容量心電數據存儲在SD卡上，實現了在SD卡中創建、讀取、寫入和刪除文件等的操作，同時通過全速USB實現SD卡中數據和PC機的交互，使數據非常方便的傳輸到PC機上進行進一步處理。該系統應用范圍很廣，移植性強，系統架構合理功能完善，可廣泛用于生物醫療、工業控制、消費類電子產品等大量數據采集存儲的各個領域中。

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夏　蘭(1963－)，女，漢族，東南大學生物科學與醫學工程學院，高級工程師，主要研究方向為生物醫學電子學，生物醫學信號的檢測與處理等，melab@seu.edu.cn;

賈曉冬(1992－)，男，漢族，現在就讀于東南大學生物科學與醫學工程學院，七年制本碩連讀，主要研究方向為醫學電子學，醫學信號處理等。

A Scheme for Identifying Complete Identity Information on Mobile Terminal

PAN Jie，WAN Guojin*，HU Jie
(Department of Electronic Information Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

Abstract:A new design of identifying complete identity information on mobile terminal based on GSM(Global System for Mobile Communication)network technology is proposed.Using unidirectional authentication mechanism and principle of location update of GSM system，new mechanism of identity request was designed for mobile terminal with different type identity repeatedly.Meanwhile，simulated base station induced terminal to interact with messages transmitted in the air and completed the identification of complete identity information wherein includes TMSI(Temp Mobile Subscriber Identity)，IMSI(International Mobile Subscriber Identity)，IMEI(International mobile equipment identity)and IMEISV (International mobile equipment identity with Software Version)of current terminal by analyzing messages.This scheme can effectively achieve and identify other identity information on terminal promptly where no TMSI is available and the data existing in the current VLR(Visitor Location Register)has lost.The testing results show that this design scheme can effectively identify and manage all identity information of mobile terminals accurately in the base station coverage.

Key words:GSM; mobile terminal; complete identity information; identity request mechanism; location update

doi:EEACC:614010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.046

收稿日期:2014－10－08修改日期:2014－12－16

中圖分類號:TP368.1

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0946－07