摘  要： 針對(duì)Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器平臺(tái)，成功移植μC/OS操作系統(tǒng)，并引入FatFs開源軟件，構(gòu)建了FAT32通用文件系統(tǒng)。以溫度采集與記錄系統(tǒng)為實(shí)例，通過對(duì)μC/OS操作系統(tǒng)、FAT文件系統(tǒng)、TF卡等相關(guān)技術(shù)的分析，實(shí)現(xiàn)了面向TF卡存儲(chǔ)媒介的大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)溫度按時(shí)間關(guān)系存儲(chǔ)至TF卡。

　　關(guān)鍵詞： 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(qiáng)，嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)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(chǔ)的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)簡單的對(duì)存儲(chǔ)媒介按地址、按字節(jié)的讀/寫已然不能滿足人們的實(shí)際需求?；赗TOS的存儲(chǔ)系統(tǒng)在宕機(jī)、斷電等異常發(fā)生時(shí)，可以保證數(shù)據(jù)的完整性以及能夠快速地恢復(fù)正常工作。為了與現(xiàn)行PC平臺(tái)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(shí)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(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，具有很好的實(shí)際意義。

　　本文基于μC/OS操作系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)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(tái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度采集和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，并在PC上顯示實(shí)時(shí)溫度以及將溫度數(shù)據(jù)按時(shí)間關(guān)系存儲(chǔ)至TF卡文件中。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

1 溫度傳感器

　　本文采用溫度傳感器PT100測(cè)溫。PT100是鉑熱電阻，當(dāng)PT100在0℃時(shí)阻值為100 ?贅，它的阻值會(huì)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(shì)。PT100驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

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

　?。?）在PT100插件處插上100 Ω電阻，獲取AD值記為Vm。

　?。?）在PT100插件處插上125 Ω電阻，獲取AD值記為Vn。

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

　?。?）軟件實(shí)現(xiàn)將k、b系數(shù)值存儲(chǔ)至EEPROM中。

　　在使用PT100測(cè)試溫度時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)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(wù)為核心的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS-II V2.52可以管理64個(gè)任務(wù)，任務(wù)管理包括：創(chuàng)建任務(wù)、掛起任務(wù)、刪除任務(wù)、喚醒任務(wù)、改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級(jí)和獲取任務(wù)狀態(tài)。每個(gè)任務(wù)都有唯一的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)號(hào)越低，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)越高，任務(wù)越重要。在任一給定的時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)已知，且為以下5種狀態(tài)中的一種，各任務(wù)狀態(tài)切換如圖3所示。

　?。?）睡眠狀態(tài)：任務(wù)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。

　?。?）就緒狀態(tài)：任務(wù)一旦建立，就處于就緒狀態(tài)，準(zhǔn)備運(yùn)行。若新建的任務(wù)優(yōu)先級(jí)比正運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高，則內(nèi)核提供任務(wù)切換服務(wù)，新任務(wù)運(yùn)行。

　?。?）運(yùn)行狀態(tài)：已經(jīng)建立的、就緒狀態(tài)中優(yōu)先級(jí)別最高的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。任何時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。

　?。?）等待狀態(tài)：正在運(yùn)行的任務(wù)通過調(diào)用OSTimeDly（）和OSTimeDlyHMSM（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，等待延遲時(shí)間到；運(yùn)行中的任務(wù)可能需要等待某一事件的發(fā)生，從而進(jìn)入等待狀態(tài)。

　　（5）中斷服務(wù)狀態(tài)：運(yùn)行中的任務(wù)被中斷，從而進(jìn)入中斷服務(wù)狀態(tài)[2]。

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

3 TF卡與FatFs文件系統(tǒng)

　　當(dāng)嵌入式產(chǎn)品需要擴(kuò)展系統(tǒng)容量用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，目前常用的有U盤、Flash芯片、TF卡等，其中最適合單片機(jī)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(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)[3]。

　　FatFs Module是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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。

　　FatFs具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(shí)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(jié)構(gòu)以及復(fù)雜的FatFs協(xié)議，用戶也可以通過這些API完成對(duì)文件的所有操作。

　　FatFs Module層為中間層，為FatFs核心內(nèi)容，主要實(shí)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(yīng)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(chǔ)媒介讀寫接口I/O驅(qū)動(dòng)以及文件操作的時(shí)間RTC等。最少只需要編寫3個(gè)底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)：

　　（1）文件系統(tǒng)初始化函數(shù)

　　DSTATUS disk_initialize（BYTE drv）

　?。?）文件系統(tǒng)讀驅(qū)動(dòng)

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

　　（3）文件系統(tǒng)寫驅(qū)動(dòng)

　　DRESULT disk_write（BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）

　　用戶根據(jù)具體的硬件平臺(tái)填充相關(guān)函數(shù)，即可完成移植。

4 調(diào)試與結(jié)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(jié)論

　　本文基于μC/OS-II操作系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)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(tái)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度采集和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，并在PC上顯示實(shí)時(shí)溫度以及將溫度數(shù)據(jù)按時(shí)間關(guān)系存儲(chǔ)至TF卡文件中[5]。

　　由于該系統(tǒng)缺少與用戶交互界面，因此系統(tǒng)缺乏一定的靈活性。今后的工作就是實(shí)現(xiàn)PC與MCU的雙向通信，選擇在STM32平臺(tái)上移植GUI，提供給用戶更多的選擇。當(dāng)然，通過交互界面，用戶可以一目了然地了解某一時(shí)段的環(huán)境溫度變化情況等。完善系統(tǒng)功能和提高采集數(shù)據(jù)精度仍是今后的主要工作。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（12）：79-81.

　　[2] 于鵬飛.嵌入式存儲(chǔ)設(shè)備上文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連交通大學(xué)，2007.

　　[3] LABROSSE J J．嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?滋C/OS-II[M]．邵貝貝，譯．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

　　[4] 張?jiān)?，惠曉威，肖迎?基于ARM的嵌入式文件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（3）：299-231.

　　[5] 楊建光.基于μC/OS-II的溫度控制系統(tǒng)的研制[D].天津：中國民航大學(xué)，2007.