基于FAT16文件系统的嵌入式温度记录器

    本文描述了温度传感器ADT75的工作原理。
　　

    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精度低、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精度高、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。
　　　　　

　　　　　
　　　　　　　　　　　　图1 温度采集器硬件电路

    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构成第一路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。[page]

    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，由于每个簇的最大存储空间只有32 KB，因此磁盘的一个分区的存储容量最大为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。

    表1 512 MB SD卡文件系统结构

    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，保留扇区的第一个扇区（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。
　

    表2 512 MB SD卡BPB各字段内容

    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。最后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。
　　　　　　　

　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图2 SD卡初始化流程
　　

    图2描述了SD卡在上电复位后的初始化流程。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，应设置一次性写入或者读取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。本设计中设定一次读/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。

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    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。

　　　　　　　　　　　　　图3 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,数据格式如表3所列。

    表3 存储数据格式

    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”。
　　

    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，因此每个文件的最大容量是1 856 KB。对于一张512 MB的SD卡，可保存约1年的温度数据。
　　

    图4描述了本设计的软件主流程。在实现温度数据的采集与存储之前，需正确配置LPC2148的SPI总线控制寄存器、I2C控制寄存器及RTC实时时钟寄存器。

    结语
　　

    ADT75是一款完善的数字温度传感器，具有I2C总线接口；LPC2148功能强大，外设接口资源丰富。将LPC2148与ADT75通过I2C总线相结合，即可实现分布式多点温度采集。SD卡FAT16文件系统的实现方便了用户读取与分析采集的温度数据。本文为嵌入式系统数据的存储、温度数据的分布采集与记录提供了一个切实可行的解决方案。
　　　

　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　     图4 软件主流程
      参考文献

        [1] 2000 SD Group.SD Memory Card Specifications Physical Layer Specification.Part 1. Version 1.0，March 2000.
        [2] Analog Devices. ±1°C Accurate, 12Bit Digital,Temperature Sensor.Rev.0.2005.
        [3] 周立功, 张华. 深入浅出ARM7——LPC213x/LPC214x（下册）[M]. 北京： 北  京航空航天大学出版社,2006.
        [4] Microsoft Corporation. FAT: General Overview of OnDisk Format. Version 1.02. May 5, 1999.
       [5] 2000 SD Group. SD Memory Card Specifications Physical Layer Specification. Part 2. Version 1.0. Februay 2000.
檀永(硕士)，主要研究方向为信号检测与控制。