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，外置定時芯片確定采樣間隔，SD卡存儲溫度數(shù)據(jù)，F(xiàn)atFS文件系統(tǒng)進行單片機數(shù)據(jù)存儲任務(wù)的管理。

【關(guān)鍵詞】FatFS；Freescale；SD

1.引言

發(fā)動機電控單元（ECU）是汽車的“神經(jīng)中樞”，對環(huán)境可靠性有嚴格的要求[1]，ECU環(huán)境實驗設(shè)備承擔振動、高低溫、壽命等ECU可靠性能實驗的任務(wù)。根據(jù)國際通行實驗室認可準則ISO/IEC17025，實驗室環(huán)境溫度指標應(yīng)滿足實驗要求[2]。為建立高標準的ECU環(huán)境實驗室，需要對室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進行定期檢測。傳統(tǒng)的環(huán)境溫度記錄方法依靠實驗人員實施，勞動強度大。本文設(shè)計了一種離線溫度監(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，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境溫度定期記錄。該系統(tǒng)能減輕實驗人員的負擔，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，測量范圍為-55～125℃。數(shù)據(jù)存儲模塊采用Sandisk 2G SD卡[5]，傳輸速度可達到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，顯示當前的環(huán)境溫度值。MCU采用Freescale推出的16位MC9S12XEP100單片機[7]，其內(nèi)部PLL超頻能力能顯著降低對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），增強的系統(tǒng)集成性和更好的功能性。定時模塊采用DS1302芯片[8]，可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與MCU通訊，通過外置晶振源和紐扣電池實現(xiàn)系統(tǒng)的RTC定時功能。

3.軟件設(shè)計

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分鐘為周期對環(huán)境溫度采集任務(wù)進行定時中斷；其次，溫度采集任務(wù)，系統(tǒng)對DS18B20進行控制，讀取環(huán)境溫度；第三，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，系統(tǒng)通過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)碼管實時顯示。

系統(tǒng)上電后，進行板級初始化，配置MCU等工作。隨后檢測卡槽是否有SD卡，若檢測到SD卡，則讀取DS1302芯片預存的日期時間信息。此后，啟動定時器并查詢定時時間。若定時時間到，啟動DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，并進行ASCII碼數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。隨后查詢SD卡存儲狀態(tài)，若未滿，則將ASCII碼數(shù)據(jù)存入SD卡，并顯示當前溫度值。

3.1 FatFS文件系統(tǒng)的移植

所設(shè)計的溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用FatFS文件系統(tǒng)進行SD卡數(shù)據(jù)存儲任務(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）是一種完全免費開源的FAT文件系統(tǒng)，專為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。FatFS文件系統(tǒng)遵守ANSI C標準，完全與磁盤I/O層分離，獨立于硬件平臺（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、讀寫簡易、功能強大、易于移植等特點。

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)需要進行修改。

3.2 SD卡模塊

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

3.3 DS18B20讀寫控制模塊

DS18B20讀寫流程如圖6所示。對DS18B20讀寫前，MCU發(fā)出480us的低電平信號初始化芯片，延時60～240us，若得到響應(yīng)，則完成初始化工作。寫操作需要MCU拉低信號線，產(chǎn)生寫時隙（>60us）。讀操作需要MCU產(chǎn)生（>1us）負向脈沖，延時15us后讀取數(shù)據(jù)。讀取后的數(shù)據(jù)按照圖7所示的數(shù)據(jù)格式提取溫度值。

4.結(jié)語

本文采用FatFS文件系統(tǒng)在MC9S12XEP100硬件平臺實現(xiàn)了對環(huán)境實驗室溫度的離線采集和數(shù)據(jù)存儲，測試表明SD卡能正常讀出環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能減輕實驗人員的負擔，提高工作效率。

參考文獻

[1]余淼，劉勝龍，朱李晰.汽車發(fā)動機ECU的可靠性試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2010（03）.

[2]吳躍鋒，鞏建廳.實驗室內(nèi)溫濕度實時測控裝置的設(shè)計[J].湖南林業(yè)科技，2008（05）.

[3]崔鵬偉，閆學文.基于SD卡的FATFS文件系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)控制計算機，2013（11）.

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[6]楊琛，張雷，寇偉.Freescale單片機的SD卡數(shù)據(jù)讀寫設(shè)計[J].電子世界，2014（05）.

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[8]Dallas Inc.DS1302 User Manual[K].2007.