基于μC/OS操作系統(tǒng)的TF卡存儲系統(tǒng)

方　勛，蔡文郁，張　明，溫端強（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

基于μC/OS操作系統(tǒng)的TF卡存儲系統(tǒng)

方勛，蔡文郁，張明，溫端強
（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018）

針對Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器平臺，成功移植μC/OS操作系統(tǒng)，并引入FatFs開源軟件，構建了FAT32通用文件系統(tǒng)。以溫度采集與記錄系統(tǒng)為實例，通過對μC/OS操作系統(tǒng)、FAT文件系統(tǒng)、TF卡等相關技術的分析，實現(xiàn)了面向TF卡存儲媒介的大容量存儲系統(tǒng)，將實時溫度按時間關系存儲至TF卡。

μC/OS-II；TF卡；FatFs文件系統(tǒng)模塊

0　引言

隨著嵌入式微處理器功能的不斷增強，嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于音頻、視頻、故障記錄、數(shù)據(jù)記錄等大批量數(shù)據(jù)存儲的場合，傳統(tǒng)的由單片機構成的系統(tǒng)簡單的對存儲媒介按地址、按字節(jié)的讀/寫已然不能滿足人們的實際需求?；赗TOS的存儲系統(tǒng)在宕機、斷電等異常發(fā)生時，可以保證數(shù)據(jù)的完整性以及能夠快速地恢復正常工作。為了與現(xiàn)行PC平臺共享數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)迫切需要采用通用文件系統(tǒng)來實現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的管理［1］。因此，本文以基于μC/OS操作系統(tǒng)的TF卡存儲系統(tǒng)的設計為研究對象，具有很好的實際意義。

本文基于μC/OS操作系統(tǒng)平臺，設計并實現(xiàn)了以PT100鉑電阻為溫度傳感器、以 STM32F107VCT6微處理器為核心的硬件平臺，實現(xiàn)環(huán)境溫度采集和實時時鐘功能，并在PC上顯示實時溫度以及將溫度數(shù)據(jù)按時間關系存儲至TF卡文件中。系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

1　溫度傳感器

本文采用溫度傳感器 PT100測溫。PT100是鉑熱電阻，當 PT100在 0℃時阻值為 100Ω，它的阻值會隨著溫度的增加呈規(guī)律性的變化。在-50℃～+600℃范圍內(nèi)，PT100具有其他任何溫度傳感器無法比擬的優(yōu)勢。PT100驅動電路如圖2所示。

圖2　PT100電橋臂驅動電路

在0≤t＜65℃時，PT100鉑熱電阻阻值與輸出電壓V的關系為V=k×R+b。在第一次使用PT100時，需要校準PT100。校準過程如下：

（1）在PT100插件處插上100Ω電阻，獲取AD值記為Vm。

（2）在PT100插件處插上125Ω電阻，獲取AD值記為Vn。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)（100，Vm）和（125，Vn）求取k、b系數(shù)。

（4）軟件實現(xiàn)將k、b系數(shù)值存儲至EEPROM中。

在使用PT100測試溫度時，根據(jù)轉換的AD電壓值與k、b系數(shù)獲取PT100阻值R。然后利用式（1）求取溫度值：

T=sqrt（4×Pt_B×（R/Pt_R0）+Pt_A×Pt_A-4×Pt_B）-Pt_A）/（2×Pt_B）（1）其中，Pt_A=0.003 908 3，Pt_B=-0.000 000 577 5，Pt_R0= 100，單位為℃。

2　μC/OS-II操作系統(tǒng)

μC/OS-II是以任務為核心的實時操作系統(tǒng)，μC/OS-II V2.52可以管理 64個任務，任務管理包括：創(chuàng)建任務、掛起任務、刪除任務、喚醒任務、改變?nèi)蝿諆?yōu)先級和獲取任務狀態(tài)。每個任務都有唯一的優(yōu)先級，優(yōu)先級號越低，任務的優(yōu)先級越高，任務越重要。在任一給定的時刻，任務的狀態(tài)已知，且為以下5種狀態(tài)中的一種，各任務狀態(tài)切換如圖3所示。

（1）睡眠狀態(tài)：任務駐留在程序空間中，還沒有交給μC/OS操作系統(tǒng)內(nèi)核管理。

（2）就緒狀態(tài)：任務一旦建立，就處于就緒狀態(tài)，準備運行。若新建的任務優(yōu)先級比正運行的任務優(yōu)先級高，則內(nèi)核提供任務切換服務，新任務運行。

（3）運行狀態(tài)：已經(jīng)建立的、就緒狀態(tài)中優(yōu)先級別最高的任務進入運行狀態(tài)。任何時刻只能有一個任務處于運行狀態(tài)。

（4）等待狀態(tài)：正在運行的任務通過調(diào)用OSTimeDly（）和OSTimeDlyHMSM（）函數(shù)實現(xiàn)延時，等待延遲時間到；運行中的任務可能需要等待某一事件的發(fā)生，從而進入等待狀態(tài)。

（5）中斷服務狀態(tài)：運行中的任務被中斷，從而進入中斷服務狀態(tài)［2］。

圖3　μC/OS-II任務狀態(tài)切換圖

有時，任務或中斷與任務之間需要傳遞信息，這種信息傳遞稱為任務間的通信。μC/OS-II支持 3種通信方式：信號量、消息郵箱、消息隊列，它們統(tǒng)稱為事件。每個事件由獨立的事件控制塊 ECB控制，ECB定義了事件類型，包含了當前正在等待事件發(fā)生的任務號等信息。μC/OS-II還具有時間管理與內(nèi)存管理等功能。

3　TF卡與FatFs文件系統(tǒng)

當嵌入式產(chǎn)品需要擴展系統(tǒng)容量用來存儲數(shù)據(jù)時，目前常用的有 U盤、Flash芯片、TF卡等，其中最適合單片機系統(tǒng)的莫過于TF卡了，它不僅支持最大容量32 GB，還支持 SPI接口，且能在 TF卡上實現(xiàn)文件系統(tǒng)［3］。

FatFs Module是一種完全免費開源的 FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型嵌入式系統(tǒng)設計。FatFs的編寫遵循ANSIC，并且完全與磁盤I/O層分開，經(jīng)簡單的修改便可移植到多種嵌入式處理器上［4］。FatFs系統(tǒng)框圖如圖 4所示。

圖4　FatFs系統(tǒng)框圖

FatFs具有清晰的層次結構，應用層提供規(guī)范的API接口函數(shù)，用戶可直接調(diào)用這些函數(shù)實現(xiàn)讀文件（f_read）、寫文件（f_write）、打開文件（f_open）和一些文件夾操作等，所以即使不理解FatFs Module的內(nèi)部結構以及復雜的FatFs協(xié)議，用戶也可以通過這些API完成對文件的所有操作。

FatFs Module層為中間層，為 FatFs核心內(nèi)容，主要實現(xiàn)了FAT協(xié)議。在移植過程中，不需要修改此部分內(nèi)容。

底層是應用層與磁盤介質(zhì)的接口，在移植過程中需要修改此部分，包括存儲媒介讀寫接口I/O驅動以及文件操作的時間RTC等。最少只需要編寫3個底層驅動函數(shù)：

（1）文件系統(tǒng)初始化函數(shù)

DSTATUS disk_initialize（BYTEdrv）

（2）文件系統(tǒng)讀驅動

DRESULT disk_read（BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）

（3）文件系統(tǒng)寫驅動

DRESULTdisk_write（BYTEdrv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）

用戶根據(jù)具體的硬件平臺填充相關函數(shù)，即可完成移植。

4　調(diào)試與結果

將 SD卡中 2014-10-28日 15：0：0～15：10：0的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖5所示。

5　結論

本文基于μC/OS-II操作系統(tǒng)平臺設計并實現(xiàn)了以PT100鉑電阻為溫度傳感器、以 STM32F107VCT6微處理器為核心的硬件平臺，實現(xiàn)了環(huán)境溫度采集和實時時鐘功能，并在PC上顯示實時溫度以及將溫度數(shù)據(jù)按時間關系存儲至TF卡文件中［5］。

Design of TF card storage system based onμC/OS operating system

F a n g X u n，Ca i We n yu，Z h a n g M i n g，W e n Du a n q i a n g
（School of Electronics＆Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The thesis aims at transplantingμC/OS operating system on STM32 processor platform that in Cortex-M3 core，bringing in FatFs which is open source software，and builing FAT32 universal file system.The article applys temperature acquisition and records systemfor instance，and through analysingμC/OS operating system，F(xiàn)ATfile systemand TFcard technology，it achieves high-capacity storage system in TF card storage media and saves the real-time temperature in TF card by time.

μC/OS-II；TF card；FatFs module

TP316.8，TP333

A

1674-7720（2015）06-0079-02