大容量SD卡在海洋数据存储中的应用

1、技术纵横 TECHNOLOGY REVIEW大容量SD卡在海洋数据存储中的应用范寒柏,王少仙,彭安(华北电力大学,保定071003)摘要:设计了一种新型海洋要素数据(温度、盐度)采集系统的SD卡存储方案,同时给出了SD1.x与SD2.0的识别方法。该方案选用基于Cortex-M3内核的高性能处理器STM32F103VB作为主控制器,采用SPI总线与SD卡通信,使用FAT32文件系统,解决了海洋数据采集过程中数据存储量大、存储设备不易与PC机接口的问题。关键词:STM32F103VB;SD卡;SPI;FAT32文件系统中图分类号:TP3 文献标识码:AApplicationofHighCapac

2、itySDCardinMassiveDataStorageFanHanbai,WangShaoxian,PengAn(NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)Abstract:AnewschemeofSDmemorycardappliedtotheoceanelements(temperature、salinity)acquisitionsystemisdesigned,andthemethoddistinguishingSD1.xfromSD2.0isgiven.High-performanceprocessorSTM321

3、03VBbasedonCortex-M3isusedasmaincon-trollerandcommunicateswithSDcardthroughSPIbus.ItusesFAT32filesystemtosolvetheproblemsoflargedatastorageandinter-facewithPC.Keywords:STM32F103VB;SDcard;SPI;FAT32filesystem引 言海洋要素测量系统要求数据存储量大、安全性高,采用可插拔式存储卡是一种不错的选择。目前,可插拔式存储卡有CF卡、U盘及SD卡。CF卡不能与计算机直接通信;U盘需要外扩接口芯片才能与单片

4、机通信,增加了外形尺寸及功耗;而SD卡具有耐用、可靠、安全、容量大、体积小、便于携带和兼容性好等优点,非常适合于测量系统长期的数据存储1。本设计使用8GB的SDHC(HighCapacitySDMem-oryCard,大容量SD存储卡),为了方便卡上数据在操作系统上的读取,以及数据的进一步分析和处理,在SDHC卡上建立了FAT32文件系统。SD卡支持SD模式和SPI模式两种通信方式。采用SPI模式时,占用较少的I/O资源。STM32F103VB包含串行外设SPI接口,可方便地与SD卡进行连接。通过4条信号线即可完成数据的传输,分别是时钟SCLK、主机输入从机输出MISO、主机输出从机输入MOS

5、I和片选CS。STM32F103VB与SD卡卡座的接口电路如图1所示。1 SD卡接口的硬件设计STM32F103xx增强型系列是意法半导体公司生产的基于Cortex-M3的高性能的32位RISC内核,工作频率为72MHz,内置高速存储器(128KB的闪存和20KB的SRAM),以及丰富的增强I/O端口和连接到2条APB总线的外设。STM32F103xx系列工作于-40+105e的温度范围,供电电压为2.03.6V,与SD卡工作电压兼容,一系列的省电模式可满足低功耗应用的要求。2图1 STM32F103VB与SD卡卡座的接口电路SD卡的最高数据读写速度为10MB/s,接口电压为2.73.6V,具

6、有9个引脚。SD卡使用卡座代替传输电缆,减少了环境干扰,降低了出错率,而且1对1传输没有共享信道的问题。SD卡在SPI模式下各引脚的定义如表1所列。adv(广告专用) 302010年第4期TECHNOLOGY REVIEW 技术纵横表1 SD卡引脚定义(SPI模式)引脚号1345名 称CSDIVSS1VDDSCLK定 义片选数据输入地电源时钟引脚号6789名 称VSS2DORSVRSV定 义地数据输出未使用未使用多电子设备无法驱动大容量SD卡的情况,如何识别SD1.x与SD2.0就显得尤为重要。SD2.0的SPI模式初始化流程如图3所示。2 SD卡接口的软件设计本设计采用STM32F103VB

7、自带的串行外设SPI接口与SD卡进行通信,这里只介绍SPI模式的通信方式。2.1 SD卡的读写先对STM32F103VB的SPI_CR1(SPI控制寄存器)以及SPI_SR(SPI状态寄存器)进行初始化设置,使能SPI并使用主机模式;同时设置好时钟,在时钟上升沿锁存数据。SPI通道传输的基本单位是字节,由STM32F103VB控制其和SD卡之间的所有通信。要读写SD卡,首先要对其进行初始化。初始化成功后,即可通过发送相应的读写命令对SD卡进行读写3。SD卡的读写流程如图2所示。图3 SD2.0的SPI模式初始化流程判断是否为SD2.0卡,CMD8(SD2.0新增的命令)是关键。若卡是SD2.0

8、,则发送CMD8将会返回有效响应;若是SD1.x,则返回非法响应,这样就可以识别SD卡的类型。SD1.x与SD2.0的最大不同在于命令地址的表示。SD1.x的地址单位是字节,而SD2.0的地址单位是扇区,地址仍然采用32位4个字节来表示。因此在读写操作时应该根据不同的卡对地址进行相应的处理,若是SD1.x则写入字节地址,若为SD2.0则写入扇区地址。3 FAT32文件系统目前有3种FAT文件系统:FAT12、FAT16和FAT32。它们的区别在于文件分配表(FileAllocationTa-ble,FAT)中每一表项的大小(也就是所占的位数):FAT12为12位,FAT16为16位,FAT32

9、为32位。本设计选择FAT32文件系统。由于文件存储在硬盘上占用的存储器空间以簇为最小单位,FAT32文件系统不适合管理容量低于512MB的存储器。簇如果太大,存储小文件会浪费大量的存储空间;如果太小,FAT表会变大,不方便管理。综合考虑,FAT32每簇大小为4KB。3.1 FAT32文件系统结构FAT32文件系统可以分为以下几部分:保留区(re-servedregion),存放FAT文件系统的重要参数和引导程序;FAT区(FATregion),记录簇(cluster)的使用情况;根目录区(rootdirectoryregion),记录根目录信息,FAT32文件系统舍弃了这个区,根目录区可以指

10、定为任意一个簇;文件目录数据区(fileanddirectorydataregion),是各种文件数据实际存放的区域。保留区中的BPB表从扇区0偏移11个字节开始,共占25字节。表2是格式化为FAT32文件系统的8GBSD卡首扇区中读出的BPB参数内容。图2 SD卡的读写流程2.2 SD1.x与SD2.0标准的识别由于大容量SDHC的出现,SD1.x满足不了SDHC的容量要求,标准已经升级为SD2.0。但也因此出现了许paper(投稿专用) 2010年第4期Microcontrollers&EmbeddedSystems 31技术纵横 TECHNOLOGY REVIEW表2 BPB表名

11、称BPB_BytePerSecBPB_SecPerClusBPB_RsvdSecCntBPB_NumFATsBPB_RootEntCnt偏移大小112内容0x0200说明每个扇区的字节数,这里表示每个扇区大小为512字节。取值只能为512、1024、2048和4096每簇扇区数,这里表示每簇扇区数为8。其值必须是2的整数次方,最大值为128,同时保证每簇字节数小于32KB保留区中的保留的扇区数,这里值为34。对于FAT12、FAT16必须为1,而FAT32通常为32FAT表的份数,这里为2。一般取值为2根目录的项数。对于FAT12和FAT16,该值乘以32必须为BPB_BytsPerSec的偶

12、数倍,一般取值为512;对于FAT32,该值必须为0对于FAT12、FAT16,此域填写总扇区数,如果该数值小于0x10000,BPB_TotSec32必须为0;如果大于该值,此域设为零,并使用BPB_TotSec32记录。对于FAT32,此域必须为0存储介质的类型:固定介质一般为0xF8,移动介质一般使用0xF0。与FAT表的FAT0的低8位保存值一致对于FAT12、FAT16,该值为一个FAT表占用的扇区数;对于FAT32,该值为0每磁道扇区数磁头数在FAT分区表之前隐藏的扇区数。对于没有分区的介质,此域总是为0FAT分区总扇区数。对于FAT32,此域必须非0;对于FAT12、FAT16,

13、如果总扇区数大于或等于0x10000,此域就是总扇区数,同时BPB_TotSec16为0。这里值为15556608,每个扇区0.5K,可知SD存储卡容量约为8GB一个FAT表的扇区数,此域为FAT32特有,同时BPB_FATSz16必须为0扩展标志FAT32系统的版本号。高8位表示主版本号,低8位表示本版本下修改的升级号FAT32根目录所在第一个簇的簇号,通常为2保留区的文件信息区所占用的扇区号,通常为1保留区引导扇区备份所在的扇区号。通常为6保留为以后扩展FAT系统版本用,此域用0填充 在保留区之后是FAT区,存有文件分配表。一般文件系统中有2份文件分配表FATl和FAT2,每份FAT表占用

14、空间的大小可从BPB表中查得。由于采用的是SDHC卡和FAT32文件系统,紧接在FAT区之后的是文件目录数据区,真正意义上的数据从这个区开始,以簇编号,顺序上第1个簇编号为第2簇,此簇通常为FAT32根目录所用。FAT16从根目录所占的32个扇区之后的第一个扇区开始以簇为单位进行数据处理,这之前仍以扇区为单位。目录与数据是统一放到这个区域的,并且都不是在一个连续的区域内存放。没有任何特殊标记来区分哪个簇是目录项,哪个簇是数据项,而是由文件系统从根目录出发通过查找的方法来确定簇的类型。1310x081416210x00220x021720x00003.2 FAT32文件系统实现本文设计的文件系统

15、采用模块化层次结构,其总体框架如图4所示。其中,箭头表示调用关系。应用程序是面向用户的,为满足某种功能需求而编写的程序。可以通过调用文件系统提供的API函数对文件和目录进行相应的操作。文件管理和目录管理模块是直接与应用程序接口的模块,位于整个文件系统的最高层。文图4 文件系统总体框架BPB_TotSec161920x0000BPB_MediaBPB_FATSz16BPB_SecPerTrkBPB_NumHeadsBPB_HiddSec2110xF82224262822240x00000x003F0x00FF0x00002000件管理模块提供所有与文件操作相关的函数,目录管理模块提供所有与目录操

16、作相关的函数。在对文件操作的大多数情况下,文件管理模块需要调用目录管理模块的相关功能。文件分配表管理模块主要用来对文件系统的FAT表进行管理,根据系统的请求对FAT表的内容进行相应的修改。文件目录表管理模块主要提供对文件和目录的基本属性信息的管理。这两个模块管理着文件系统的两个重要数据结构,应用程序不能直接调用它们。缓存模块是为了降低系统访问SD卡的次数,提高整个系统的处理速度而加入的。它使用了部分RAM作为缓存来保存一些访问过的扇区的数据,一般用来加载FAT表和FDT表的数据;向SD卡写入数据时,也需要用它加载数据。以上几个模块的操作都建立在底层驱动程序上。底层驱动程序主要是向SD卡读写某个

17、扇区的程序。文件分配表管理模块包含几个处理簇链的函数,如获取指定簇下一簇簇号(fat_next_clus()、建立簇与指定簇的链接关系(fat_link_clus()、在簇后增加一个空(下转42页)BPB_TotSec323240x00ED6000BPB_FATSz32BPB_ExtFlagsBPB_FSVerBPB_RootClusBPB_FSInfoBPB_BkBootSecBPB_Reserved3640420x00003B3B0x000042444850522422120x00000x000000020x00010x0006-322010年第4期adv(广告专用)新器件新技术 NEW

18、PRODUCT & TECH高速串口驱动设计方案,发送数据完全由DMAC完成,无需触发任何中断,接收1帧不超过接收区阈值的数据最多产生1次RTI中断。和现有的各种利用DMA块传输进行串口数据通信的方案相比,中断次数大幅减少,大大提高了数据传输的效率。在应用了本方案的人机界面产品上,实现了波特率高达12Mbps的稳定数据传输。对于在其他平台上设计实现高速串口,本方案是一个很好的参考。参考文献1王晓剑,潘顺良,沈为群,等.TMS320DM642中利用McBSP与EDMA实现UARTJ.电子测量技术,2008,31(2):103-105.2杨福广,李贻斌,尹占芳,等.ARM中基于DMA的高效

19、UART通讯及其应用J.微计算机信息,2008,24(2):图4接收数据流程138-140.3吴广州,张平.TMS320VC5510同步串口实现异步通信J.电子测量技术,2006,29(6):115-117.4范娟,张伯珩,边川平,等.基于嵌入式系统的串口高速采集DMA方式的实现J.科学技术与工程,2005,5(20):1514-1517.5STMicroelectronicsInc.Spear300UserManualEB/OL.2009-11spearba0408.pdf.邢丽华(讲师)、高志鹏(工程师)、袁德殿(工程师),主要研究方向为嵌入式系统、无线数字通信。(收稿日期:2009-12

20、-11)3.3驱动测试本文的设计方案直接应用于工业级的HMI产品,必须经过严格的测试。利用3台西门子S7系列PLC和1台产品样机搭建令牌网,使用西门子MPI协议进行测试,并利用数据分析工具ProfiTrace监测通信过程。测试结果表明,2400bps12Mbps的各个波特率下都能进行稳定的数据通信。结 语本文详细介绍了DMA数据传输的特点和散列DMA的工作方式。在此基础上,提出了一套基于散列DMA的(上接32页)性能的STM32F103xx系列处理器提高了SD卡的数据读写速率,很好地解决了海洋数据采集中的大容量存储问题和SD1.x与SD2.0的识别问题,并给出了适用于SD卡的FAT32文件系统的参数设置及其实现方法。参考文献1刘素花,龚德俊,徐永平,等.SD卡在海洋数据存储中的应用J.海洋科学,2009,33(3):16-20.2王永虹,徐炜,