FatFS在离线温度监控系统上的应用

王宁 张雷 张征

【摘要】本文设计了一种采用FatFS文件系统的环境温度监控系统。系统采用温度传感器采集环境温度，外置定时芯片确定采样间隔，SD卡存储温度数据，FatFS文件系统进行单片机数据存储任务的管理。

【关键词】FatFS；Freescale；SD

1.引言

发动机电控单元（ECU）是汽车的“神经中枢”，对环境可靠性有严格的要求[1]，ECU环境实验设备承担振动、高低温、寿命等ECU可靠性能实验的任务。根据国际通行实验室认可准则ISO/IEC17025，实验室环境温度指标应满足实验要求[2]。为建立高标准的ECU环境实验室，需要对室内温度数据进行定期检测。传统的环境温度记录方法依靠实验人员实施，劳动强度大。本文设计了一种离线温度监控系统，采用温度传感器采集数据，SD卡存储温度数据，FatFS文件系统[3]管理SD卡的数据读写操作，实现对实验室环境温度定期记录。该系统能减轻实验人员的负担，提高工作效率。

2.系统结构

温度监控系统结构如图1所示。温度采集模块采用数字温度传感器DS18B20[4]，其具有一线制数据传输结构，9～12位分辨率，测量范围为-55～125℃。数据存储模块采用Sandisk 2G SD卡[5]，传输速度可达到100Mbit/s。SD卡模块工作电压为TTL电平，而MCU工作电压为CMOS电平，因此需要在二者间增加转换电路[6]。SD卡支持两种操作模式，SD模式和SPI模式，考虑到MCU的I/O口资源限制， SPI模式较为常用（如图2所示）。显示端采用7段数码管，显示当前的环境温度值。MCU采用Freescale推出的16位MC9S12XEP100单片机[7]，其内部PLL超频能力能显著降低对外部频率源的主频的需求， XGATE核能协处理I/O中断需求，从而降低主核的任务量。另外，其具有EEPROM、FLASH以及丰富的I/O资源（例如SPI、ECT、CAN2.0等），增强的系统集成性和更好的功能性。定时模块采用DS1302芯片[8]，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与MCU通讯，通过外置晶振源和纽扣电池实现系统的RTC定时功能。

3.软件设计

温度监控系统软件流程图如图3所示，程序主要完成几个方面的任务：首先，周期中断任务，系统需要以30分钟为周期对环境温度采集任务进行定时中断；其次，温度采集任务，系统对DS18B20进行控制，读取环境温度；第三，数据存储任务，系统通过FatFS系统将温度数据存入SD卡中；最后，显示任务，系统将温度数据送入数码管实时显示。

系统上电后，进行板级初始化，配置MCU等工作。随后检测卡槽是否有SD卡，若检测到SD卡，则读取DS1302芯片预存的日期时间信息。此后，启动定时器并查询定时时间。若定时时间到，启动DS18B20采集温度数据，并进行ASCII码数据格式转换。随后查询SD卡存储状态，若未满，则将ASCII码数据存入SD卡，并显示当前温度值。

3.1 FatFS文件系统的移植

所设计的温度监控系统采用FatFS文件系统进行SD卡数据存储任务管理。目前FAT文件系统有FAT12、FAT16、FAT32三种格式，其中FAT16支持16MB～2GB，FAT32支持32MB～32GB，可根据需要灵活选择。FatF文件系统（Tiny版）是一种完全免费开源的FAT文件系统，专为小型嵌入式系统设计。FatFS文件系统遵守ANSI C标准，完全与磁盘I/O层分离，独立于硬件平台（FatFS文件系统的层次结构如图4所示）。FatFS文件系统具有小巧、读写简易、功能强大、易于移植等特点。

FatFS文件系统的移植需要修改ffconf.h，integer.h以及diskio.c中的六个底层接口函数（如表1所示）。其中integer.h涉及FatFS文件系统用到的数据类型，ffconf.h涉及FatFS文件系统的功能开关，可根据需要进行修改。

3.2 SD卡模块

由于FatFS文件系統的没有提供具体型号MCU的SD的底层操作函数，用户需要完成4个涉及SD卡的底层操作功能，分别是延时、初始化以及读/写字节功能。在本文中，延时功能由ECT定时器实现，读/写字节功能由MC9S12XEP100的SPI控制模块实现。SD卡初始化后，默认为SD模式，需要按照流程图5，进入SPI模式。

3.3 DS18B20读写控制模块

DS18B20读写流程如图6所示。对DS18B20读写前，MCU发出480us的低电平信号初始化芯片，延时60～240us，若得到响应，则完成初始化工作。写操作需要MCU拉低信号线，产生写时隙（>60us）。读操作需要MCU产生（>1us）负向脉冲，延时15us后读取数据。读取后的数据按照图7所示的数据格式提取温度值。

4.结语

本文采用FatFS文件系统在MC9S12XEP100硬件平台实现了对环境实验室温度的离线采集和数据存储，测试表明SD卡能正常读出环境温度数据。该系统能减轻实验人员的负担，提高工作效率。

参考文献

[1]余淼，刘胜龙，朱李晰.汽车发动机ECU的可靠性试验研究[J].内燃机工程，2010（03）.

[2]吴跃锋，巩建厅.实验室内温湿度实时测控装置的设计[J].湖南林业科技，2008（05）.

[3]崔鹏伟，闫学文.基于SD卡的FATFS文件系统的研究与应用[J].工业控制计算机，2013（11）.

[4]Dallas Inc.DS18B20 User Manual[K].2005.

[5]SanDisk Secure Digital Card Product Manual[K].Version 2.2，San-Disk Corporation，September，2004.

[6]杨琛，张雷，寇伟.Freescale单片机的SD卡数据读写设计[J].电子世界，2014（05）.

[7]孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

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