李敏++侯亚玲++刘颖

摘 要：为解决嵌入式系统中便携式存储设备的大容量数据存储问题，并便于对数据进行查询、读取及分析，系统采用具备SD卡插座的Cortex M3处理器平台，分析了SD卡的驱动实现，并按照FAT32文件系统规范进行文件系统设计。设计使用c语言进行开发，通过系统采集实时温度，并将数据按照一定的格式规范存储在SD卡的文件中；通过读取SD卡进行数据的查询、读取。经反复测试，系统运行稳定，数据的存储及读取都很可靠，且软件便于移植，可应用于大容量数据采集的系统中。

关键词：SD卡；FAT32文件系统；SPI；ds18b20

中图分类号：TP39；TN915.41 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

随着嵌入式技术的飞速发展，很多嵌入式系统都需要大容量的存储设备，用于数据存储。而当前，常用的存储设备有U盘、移动硬盘、Flash芯片、SD卡等，它们各有优缺点。综合考虑在系统设计时的性价比、功耗及体积等要求时，SD卡无疑是一个非常好的选择。随着存储技术的发展，其容量也越来越大，可以达到32 G以上，且支持SPI接口，同时SD卡有几种不同的体积可供选择，可满足不同的设计及应用要求。

具备SPI接口的嵌入式系统只需4个I/O接口就可以扩展达32 G以上的外部存储器，存储容量不等，设备更换方便，程序在不同的设备上移植也更简单。基于以上优点，SD卡在嵌入式市场得到广泛应用，成为存储设备的首选。然而SD卡中的数据以块的形式进行存储，不便于数据的组织管理，为了能够在PC端有效的对数据进行存储、管理、查询及读取，需要对SD卡进行文件系统的设计。一般而言，PC端可直接对其进行格式化后直接使用，而在嵌入式系统中，需要设计FAT文件系统对其进行数据管理。

1 SD卡驱动设计

SPI有9个引脚，支持两种操作模式，即SD卡模式（SDIO通信）和SPI模式[1]。SD卡模式允許4线的高速数据传输模式，但需要MCU带SD卡控制器，设计中会增加产品的硬件成本；SPI模式通过SPI总线接口与SD卡通信。

设计中采用的MCU为Cortex M3，它是一种低功耗、内核架构为ARM7的控制器，自带SPI控制器。处理器平台SD卡硬件连接电路均已完成，采用SPI连接方式。

系统使用SPI模式。系统上电后，设置SD卡模式转换为SPI模式。在SD卡收到复位命令（CMO）时，CS引脚被拉低，进入SPI模式。上电后，因为SD卡内部供电电压上升时间需要大约64个CLK，还需要10个CLK用于SD卡同步，在发送CMO指令前，发送至少74个系统CLK，初始化时，CLK最大不得超过400 kHz。

通过SD卡初始化就可以知道SD卡的类型，读写数据。SD卡读取数据通过 CMD17实现，具体过程如下：

（1）发送 CMD17；

（2）接收卡响应 R1；

（3）接收数据起始令牌 0XFE；

（4）接收数据；

（5）接收 2 个字节的 CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。

（6）禁止片选之后发送8个CLK；

SD卡的写和读数据过程基本相同，写数据通过CMD24实现[2]，具体过程如下：

（1）发送CMD24；

（2）接收卡响应R1；

（3）发送写数据起始令牌0XFE；

（4）发送数据；

（5）发送2 B的伪CRC；

（6）禁止片选之后多发8个CLK。

2 FAT32文件系统介绍

为了有效管理写入SD卡的数据，使SD卡在PC机端能够被有效访问，必须将SD卡中的数据以文件形式存储，需要在SD卡中创建常用的文件系统。目前，SD卡的容量越来越大，因此设计中采用FAT32文件系统。

在设计中使用了FATFS，它是一种开源免费且专用于小型嵌入式系统的文件系统模块，硬件独立性强，是Windows系统兼容的文件系统格式，其代码特点与平台无关，支持长文件名、多种大小的扇区[3]。基于此特点，FATFS的使用非常广泛，其层次结构如图1所示。

应用层用户只需调用FATFS模块提供给用户接口函数，就可在PC机上对SD卡进行读写操作[4]。中间层FATFS模块实现了FAT文件的读/写协议，使用中一般不做修改，可直接将相关头文件包含在应用程序中。编写移植代码的是FATFS模块提供的底层接口，包括存储媒介读/写接口以及提供文件创建修改时间的实时时钟。在FATFS源码包中，需要修改的是与平台相关的代码diskio.c，即FATFS和disk I/O模块接口层文件[5]。

FATFS模块在移植时，只需修改2个文件，即ffconf.h 和 diskio.c。FATFS模块的所有配置项都存放在ffconf.h中，可以通过配置一些选项来满足设计的需求。对于SD卡的一些操作特性，可修改ffconf.h中的宏定义来实现，比如宏_FS_READONLY将其设置为0，即表示对SD卡进行读写权限的操作，_USE_MKFS为1表示使能SD卡的格式化操作等。

FATFS的移植主要分为3个步骤：

（1）在 integer.h 里定义好数据的类型；

（2）根据对SD卡的功能需要，通过 ffconf.h配置FATFS的相关功能；

（3）函数编写：打开 diskio.c以进行底层驱动编写，实现 6个接口函数的编写，如图2所示。

通过上述步骤就可以完成FATFS的移植。

3 FAT32文件系统设计

FAT32文件系统的设计包括以下步骤：

（1）程序初始化。定义两个结构体变量，其类型分别为DIR与FILINFO[6]。其中，DIR结构体表示文件夹目录相关信息，例如文件夹cewen，文件夹下有文件wendu1.txt，wendu2.txt，wendu3.txt以及文件夹cw。DIR用来存储LM、limin的目录信息，FILINFO用来存储limin1.txt，limin2.txt，limin3.txt。

DIR cewendir；//临时目录信息

FILE fileinfo；//临时文件信息

（2）程序初始化中要初始化内存，因为文件信息分配的内存空间大，一般存储在内部RAM中，也可存放在外部RAM中。先初始化内存，再申请fata所用到的变量分配内存空间。

mem_init（SRAMIN）；//初始化内部内存池

exfuns_init（ ）；//为FATFS相关变量申请内存[7]

（3）挂载SD卡。只有挂载了SD卡，才能使用，即寻找是否存在。

f_mount（0，fs[0]）；//挂载SD卡

（4）打开SD卡下的文件夹，函数为FRESULT f_opendir （DIR *dj，/* 指向一个空白的结构体，用来存储要打开的文件信息，用到初始化定义的DIR型变量*/const TCHAR *path /*指向文件夹名称的指针，即打开文件的路径 */）。函数返回0 ，表示打开文件成功，否则表示打开失败[8]。

res=f_opendir （ &cewen， "0：/"）； //打开 0：/cewen文件夹，文件夹的信息保存在结构体cewendir变量中，res为0，打开成功

（5）读取文件信息。在读取文件信息之前，先要申请相关变量信息的内存。

fileinfo.lfsize=_MAX_LFN*2+1； //长文件名最大长度

fileinfo.lfname=mymalloc（SRAMIN，fileinfo.lfsize）；//為长文件缓存区分配内存

（6）只有成功打开文件夹，才能读取或更改文件夹下的文件，与Windows系统下的使用原理一样。判断通过res进行，即if（res==FR_OK）{读取文件夹}

（7）读取文件夹函数为：FRESULT f_readdir （DIR *dj，/*指向读取的文件夹信息结构体的指针，打开文件夹后，文件夹的信息已存入信息结构体 */FILINFO *fno，/* 指向文件信息结构体，用来存储读取到的文件信息*/）。重复调用此函数可读取文件夹内的所有文件，当所有的文件读取结束后[9]，函数返回一个空字符串到f_name[ ]中（文件信息结构体中的一个变量，存放名称）

if（res==FR_OK） {while（1）{res = f_readdir（&lmdir，&fileinfo）；//遍历文件

if（res！=FR_OK || fileinfo.fname[0]==0）

{ Show_Str（60，130，200，16，"出错了"，16，0）；break；}//读取出错或遍历结束，则退出

fn=（u8*）（*fileinfo.lfname？fileinfo.lfname：fileinfo.fname）； printf（fn）；//输出文件名} }

以上步骤是对于文件夹及文件的操作，以下步骤为文件的读写操作：

（1）打开或新建一个文件（返回值为0则成功）。

FRESULT f_open （

FIL *fp，/* 指向一个用来存储文件对象的空结构体指针*/

const TCHAR *path， /* 指向文件名的指针，即路径*/

BYTE mode /* 读取方式*/

）

读取方式的使用：

FA_READ读模式（读写同时生效）

FA_WRITE写模式（读写同时生效）

FA_OPEN_EXISTING默认打开方式

FA_OPEN_ALWAYS打开文件，如果不存在，则建立一个新文件；用此种方式可以用f_lseek在文件后追加数据。

FA_CREATE_NEW新建文件，如果文件已存在，则新建失败

FA_CREATE_ALWAYS新建文件，如果文件已存在，覆盖旧文件。

新建一个文件：

res=f_open（&fsrc，"0：/dongman.txt"，FA_OPEN_ALWAYS）； //打开，新建文件测试

if（res==FR_OK）

{

POINT_COLOR=0x2299； Show_Str（60，170，200，16，"新建文件成功！"，16，0）；}

f_close（&fsrc）；

（2）读取文件（读取成功返回0）。

FRESULT f_read （

FIL *fp/* 指向文件对象结构体指针*/

void *buff/* 指向存储读取到的数据的缓冲区的指针 */

UINT btr/* 准备读取的字节数 */

UINT *br /* 读取到的字节数 */

）

f_read函数执行完后，*br值用来存放读取到的字节数，br

res=f_open（&fsrc，"0：/limin2.txt"，FA_READ）； // 打开，新建文件测试

if（res==FR_OK）

{

USART1_SendStr（"文件内容："）；

USART1_SendStr（"＼r＼n"）；

while（1）{

res=f_read（&fsrc，pr，256，&br）；

if（res ||br < 256）

break；

USART1_SendStr（pr）；

USART1_SendStr（"＼r＼n"）；

Show_Str（60，170，200，16，"读取成功！"，16，0）； } }

f_close（&fsrc）； //关闭文件，不论是打开还是新建，一定要关闭。

4 系统总体设计

系统主控核心为Cortex-M3，搭载DS18B20温度传感器[10]，实现温度的实时测量，每5 s测量一次温度，将测量的数据写入SD卡的wendu.txt文件中。设计中需要实现的功能模块为DS18B20测温的驱动实现，SD卡驱动实现，SD卡fate32文件系统实现及主控任务实现，系统设计总流程如图3所示。

图3 系统设计总流程图

在设计中，SD卡Fate32文件系统的实现步骤全面可行，系统上电后，会依次初始化各相关模块。SD卡首先检测是否插接正常并给予提示。系统检测到SD卡，会挂接SD卡到主控系统并在SD卡根目录中创建一个名为wendu.txt的测温记录文档（如果已经存在，则直接打开该文档）。准备工作完成后，系统开始循环测温，并将每一次测温结果以及RTC时间格式化写入文档中。可设定文档大小，如果写入信息超过500 K，则关闭现打开文档，重新建立文档记录。

5 结 语

经测试，系统工作稳定，SD卡插接正常可稳定打开，也可以FAT32格式进行格式化。通过软件设计，可在SD卡中创建文件、打开文件、关闭文件及删除文件，所采集的数据能够正常写入文件中，并可结合RTC写入当前数据的采集时间供后续分析使用。SD卡可在PC端打开，提供采集的文本信息。设计中使用温度采集进行测试，也可按需求采集具体所需数据。FAT32文件系统的实现设计可移植性良好，可移植于单片机及各类控制器的信息采集存储系统中。

参考文献

[1]王渊，杨婧.一种基于SD卡的口令认证密钥协商方案[J].信息安全与通信保密，2014（10）：88-92.

[2]刘智勇，陈鹏飞，宿磊，等.基于STM32芯片的U盘/SD卡文件传输技术研究[J].现代电子技术，2014，37（18）：107-109.

[3]石长华，谢恩.基于FAT32文件系统和SD卡的陶瓷窑炉测温仪设计[J].激光杂志，2014（7）：100-103.

[4]樊海洋，王立鹏，安晓捧，等.FAT32文件系统数据恢复技术的研究[J].科技信息，2013（36）.

[5]夏昀.基于FAT32文件系统的安全存储方案[D].上海：上海交通大学，2013.

[6]杨明极，陈方县，吴学君.嵌入式系统中SD卡的FAT32文件系统的设计[J].电声技术，2010，34（4）：36-39.

[7]顾春洋，李鑫，张强.基于SD卡的FAT32文件系统设计与实现[J].产业与科技论坛，2013，12（2）：96-98.

[8]杨书凯.刘慧.一种用于高速数据采集的改进FAT32文件系统[J].信息技术与信息化，2011（6）：68-70.

[9]何谐. FAT32文件系统在Cortex-M3音乐播放器中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2013，13（6）：71-73.

[10]袁杰，江祖敏.基于FAT32的文件隐藏方法及在Linux上的实現[J].电子设计工程，2012，20（13）：15-18.