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采用FAT16文件系統的嵌入式溫度記錄器
?以ARM7TDMIS為內核的32/16位微控制器LPC2148與SD卡相結合，實現在SD卡上建立FAT16文件系統。采集的溫度數據以FAT16文件格式存入SD卡，可方便用戶對溫度數據進行讀取與分析。本文描述了溫度傳感器ADT75的工作原理。
關鍵詞? FAT16? LPC2148? SD卡? 數字溫度傳感器 ?ADT75
閃存技術的不斷發展，使得閃存卡（如SD卡、MMC卡等）因其體積小、容量大、可靠性高等優點而在嵌入式存儲領域得到越來越廣泛的應用。FAT16文件系統具有出色的文件管理性能，能被大多數操作系統識別，因此將閃存卡與FAT16文件系統相結合是嵌入式存儲、記錄系統中一個理想的方案。溫度采集與控制技術是現代測量、控制系統的一個重要組成部分。由于傳統的模擬傳感測量溫度系統存在測量精度低、易受干擾、硬件復雜、調試繁瑣等不利因素，而新型單片數字式溫度傳感器具有測量精度高、抗干擾能力強、操作方便、功耗低等優點，應用范圍越來越廣泛。本嵌入式數字溫度記錄器以ARM7微處理器LPC2148、數字溫度傳感器ADT75為基礎，采用大容量SD卡作為存儲介質，實現了FAT16文件系統，為溫度采集與記錄、嵌入式系統的數據存儲提供了一個理想的解決方案。
1? 硬件設計
本溫度記錄器的硬件電路實現簡單，主要包含2個部分：SD卡讀/寫單元電路、ADT75測溫單元電路。如圖1所示，LPC2148通過SPI總線讀/寫SD卡，通過I2C總線讀/寫ADT75實現溫度的采集。
圖1? 溫度采集器硬件電路
1.1? SD卡與LPC2148的硬件接口設計
SD卡是一種基于NAND Flash的存儲卡。由于它具有安全性高、容量大、體積小、功耗低、非易失性等優點，目前在嵌入式系統中已取得越來越廣泛的應用。
SD卡支持2種接口模式：SD卡模式、SPI模式[1] 。SD卡模式采用4根數據線并行傳輸，速度快，但協議實現復雜；SPI模式雖然速度性能與SD模式相比有所欠缺，但協議實現簡單，操作方便。
SD卡共有9個引腳，在SD模式下與SPI模式下各引腳的定義不相同。在SPI模式下，SD卡1～7引腳依次為片選引腳CS、數據輸入DI、電源地、電源VDD、時鐘信號CLK、電源地、數據輸出DO,8腳與9腳在SPI模式下保留未用。由于SPI總線通信協議要求在空閑時SPI總線應保持高電平，因此CS、DI、DO、CLK應外接10 kΩ左右的上拉電阻。
1.2? ADT75測溫工作原理
ADT75ARZ是ADI公司推出的一款低功耗、高分辨率的溫度傳感器。它內含12位A/D轉換器，具有SMBus/I2C兼容接口，有超溫指示輸出引腳，額定工作溫度范圍為-55～+125 ℃，分辨率可達0．062 5 ℃，功耗低，工作電壓是3～5．5 V[2]。其典型應用電路如圖1所示。
ADT75的工作過程如下：ADT75通過內部的溫度傳感器將采集的溫度轉化為電壓信號。此電壓信號經過內部的∑Δ調節器后輸入至12位A/D轉換器，A/D轉換后的12位溫度數據存儲于溫度數據寄存器中，并將該溫度數據與溫度限定寄存器的值相比較，如果超過設定值，則引腳OS輸出有效電平。OS引腳輸出的有效電平可在配置寄存器中設定。
ADT75內部有5個寄存器： 4個數據寄存器，1個地址指針寄存器。4個數據寄存器分別為配置寄存器、溫度數據寄存器、THYST定值寄存器、TOS定值寄存器。配置寄存器是8位可讀/寫寄存器，可將ADT75設為各種模式，如關斷、超溫中斷、單步、SMBus報警使能、OS/ALERT引腳極性等；16位溫度數據寄存器是只讀寄存器，溫度值在其中以二進制補碼形式存儲，讀取時先讀取高8位，再讀取低8位；THYST定值寄存器與TOS定值寄存器均為16位可讀/寫寄存器，16位數據均以二進制補碼形式存儲，它們的默認極限溫度分別為+75 ℃、+80 ℃（TOS存放了超溫限定值，THYST存放了滯后溫度限定值，當測量溫度≥TOS設定的溫度值時，OS引腳輸出有效電平，直到溫度降至THYST以下時，OS引腳輸出電平才變為無效電平）。地址寄存器是一個8位的寄存器，在讀/寫ADT75內部各寄存器時，需將該寄存器的地址寫入地址寄存器中。例如，若要讀取ADT75的溫度數據值，則需將溫度數據寄存器的地址0x00寫入地址寄存器中。
LPC2148具有兩路標準I2C接口： P0.2與P0.3構成第一路I2C接口，與其他I2C器件通信時，需接上拉電阻；另一路I2C接口由于內部已配置上拉電阻，因此可不外接上拉電阻。
1.3? 32位微控制器LPC2148
LPC2148是Philips公司推出的一款支持實時仿真的32位/16位的具有ARM7TDMIS內核的微控制器，含有40 KB片內RAM和512 KB片內Flash存儲器，支持ISP與IAP操作[3]。它接口資源豐富，含有2路32位定時器，1個USB 2.0 全速設備控制器，2個支持16C550的串行UART接口，2路支持高速總線的I2C接口，1路SPI接口及片上RTC實時時鐘等。LPC2148內含PLL鎖相環部件，可將主頻提高到60 MHz下運行。LPC2148支持Thumb指令，在代碼規模受到約束的場合，可在Thumb狀態下運行。LPC2148采用超小LQFP64封裝，工作電壓為3.3 V，適用于工業控制、醫療系統、訪問控制、 通信網關、嵌入式軟modem等場合。
本記錄器主要利用了它的SPI總線接口、I2C接口、RTC實時時鐘及豐富的RAM資源等功能單元。LPC2148的RTC實時時鐘的時鐘源可由獨立的32.768 kHz晶振提供，并且RTC部件還有專門的電源引腳VBAT，它可由外部電池供電。本采集器采用了32.768 kHz外部晶振并使用電池供電，使得在采集器掉電后，RTC實時時鐘可以繼續運行。
2? SD卡FAT16文件系統分析
FAT（File Allocation Table，文件分配表）文件管理系統[4]是由微軟發布的由MSDOS支持的一種文件管理系統。在FAT發展過程中，先后發布了FAT12、FAT16、FAT32三個版本。其中FAT16是指磁盤的一個分區最多含有2的16次方個簇，由于每個簇的最大存儲空間只有32 KB，因此磁盤的一個分區的存儲容量最大為2 GB。由于一般SD卡的容量大小不超過2 GB，所以SD卡通常只作為一個分區。
SD卡支持FAT12與FAT16文件系統[5]。表1描述了本文中512 MB SD卡的文件系統結構。
表1? 512 MB SD卡文件系統結構
SD卡中的保留扇區，一般不應向該扇區寫入數據。若寫入不正確的數據，則會破壞SD卡的文件系統結構，導致SD卡在PC機上無法識別。
在FAT文件系統中，BPB（Bios Parameter Block，本分區參數記錄表）是一個很重要的參數表。它表明了該分區的一系列重要基本參數，例如總扇區數、每個簇的空間大小、FAT表占用的扇區數等。在SD卡中，保留扇區的第一個扇區（即分區記錄扇區）的第12～36字節即為BPB。表2給出了BPB各字段的內容及說明。
表2? 512 MB SD卡BPB各字段內容
由于FAT文件系統采用鏈式存儲原理，因此FAT表格中記錄了每個文件的起始簇號、后繼簇號、終止簇號。本文中，用FAT[i]表明在FAT表中簇號為i的字段的內容，且每個FAT[i]占用2個字節。在FAT16文件系統中，由于FAT[0]與FAT[1]默認值為0xFFFF，因此FAT表從FAT[2]開始存儲文件的起始簇號與終止簇號，所以文件的起始簇號為0x0002。在FAT表中，用0x0000表明該簇號對應的存儲空間沒有被文件占用，用0x0002～0xFFFE的值表明起始簇號與存儲后繼內容的下一個簇的簇號，若一個文件在簇號為i的存儲空間終止，則應在FAT[i]中寫入0xFFFF。在第2個FAT表格之后是DIR區，每個FAT16文件都對應一個目錄，每個目錄的大小為32字節。由于DIR占用了32個扇區，所以在DIR中總共可有512個登記項，這也可通過讀取BPB表中的字段BPB_RootEntCnt得到。
如在SD卡上新建FAT文件，應首先在FAT表中查找尚未被使用的簇號，確定文件的起始簇號，并根據文件的大小，確定文件在FAT表格中的終止簇號，在相應的FAT[i]中寫入起始與終止簇號。之后應在DIR區申請一個登記項，實際上就是在DIR區中建立一個32字節的文件目錄。最后在數據區對應該文件的扇區上寫入文件數據。
3? 軟件設計
3.1? SD卡與LPC2148的底層軟件接口設計
SD卡在上電復位后，自動進入SD模式，因此本設計中SD卡與LPC2148的底層軟件接口設計主要是指如何使得SD卡進入SPI模式，并在SPI模式下對SD卡的內存單元實現讀/寫操作。
圖2? SD卡初始化流程
圖2描述了SD卡在上電復位后的初始化流程。在SD卡上電復位后，SD卡控制器在向SD卡發送任何命令之前，應向SD卡發送至少74個時鐘周期，以等待SD卡完成上電復位過程，而且此時控制器應將片選信號線置高。在上電復位完成后，將片選信號線CS置低，即選中SD卡，且發送軟件復位指令（CMD0），SD卡即可進入SPI模式，并且處于空閑狀態。之后若要對SD卡實現讀寫操作，主機端LPC2148應持續發送激活指令（CMD1），直到收到SD卡正確的響應數據0x00，表明SD卡已經退出空閑狀態，可以對SD卡寄存器進行讀/寫以及實現數據的傳輸操作。
在完成上述操作后，應設置一次性寫入或者讀取SD卡的數據的長度，這可通過發送設置塊長度指令（CMD16）來實現。本設計中設定一次讀/寫的數據塊長度為512字節。當要讀取、寫入SD卡某一數據塊的內容時，可通過發送讀取數據指令（CMD17）、寫數據塊指令（CMD24）來完成。
3.2? 讀取溫度值
當LPC2148要讀取ADT75各寄存器的內容時，都需要經過先寫入再讀取的步驟。在寫ADT75時，需由地址指針寄存器指出將讀取的寄存器地址。圖3描述了讀取ADT75溫度數據的時序。
圖3? 讀取ADT75溫度數據的時序
由于溫度數據寄存器的地址值為0x0，因此寫入地址寄存器的內容為0。在ADT75給出應答信號后，LPC2148給出讀信號，即在第9個時鐘周期將數據線SDA置為高電平，表明是讀取數據。之后LPC2148讀取溫度數據的高8位，再讀取數據的低8位，且LPC2148應在每個字節數據讀取結束后，給出低電平的應答信號。當溫度數據完成后，LPC2148傳送結束時序，結束數據讀操作。在12位溫度數據格式下，讀取的16位溫度數據低4位為0，將其取補碼后，再除上16（浮點除法），就是實測的溫度。
3.3? 軟件主流程
在本溫度記錄器的設計中，利用LPC2148片上RTC實時時鐘提供的秒中斷、分中斷、天中斷功能實現ADT75溫度數據的定時采集、存儲和文件的建立。
當RTC的秒中斷時，LPC2148通過I2C總線在400 kHz的速率下讀取ADT75的溫度數據，并將溫度數據存于LPC2148內部RAM中。為了便于用戶使用讀卡器在PC機上讀取存入的溫度數據，每秒鐘存入RAM中的數據為22字節，且均為ASCII字符,數據格式如表3所列。
表3? 存儲數據格式
其中前4個字節為溫度的實時采集時間，存儲的時間內容為時、分、秒。第1個溫度數據采用十六進制表示；第2個8字節的溫度數據為轉換后的實際溫度值，每條記錄均以回車（ASCII碼為0x0D）、換行（ASCII碼為0x0A）結束。例如，在12時0分59秒采集的溫度數據為0x1910，則存入RAM中的數據為“120059 1910＋025.625
當RTC的分中斷時，LPC2148將臨時存于RAM中的數據存入SD卡中。這樣可減少對SD卡的寫操作次數，延長SD卡的使用壽命。
當RTC的天中斷時，LPC2148將在SD卡上新建一個新的記事本文件（.txt文件），文件名即為當天的日期，例如2007年10月6日建立的文件名為“071006.txt”。由于每分鐘寫入SD卡的數據為22×60＝1 320字節，因此每個文件的最大容量是1 856 KB。對于一張512 MB的SD卡，可保存約1年的溫度數據。
圖4描述了本設計的軟件主流程。在實現溫度數據的采集與存儲之前，需正確配置LPC2148的SPI總線控制寄存器、I2C控制寄存器及RTC實時時鐘寄存器。
結語
ADT75是一款完善的數字溫度傳感器，具有I2C總線接口；LPC2148功能強大，外設接口資源豐富。將LPC2148與ADT75通過I2C總線相結合，即可實現分布式多點溫度采集。SD卡FAT16文件系統的實現方便了用戶讀取與分析采集的溫度數據。本文為嵌入式系統數據的存儲、溫度數據的分布采集與記錄提供了一個切實可行的解決方案。
圖4? 軟件主流程
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