引言

近年来，数据采集及其应用得到了人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，特别是以单片机为核心的数据采集系统，由于其超高的性价比，已经广泛应用于很多领域。但是传统的以51单片机为核心的数据采集系统受限于有限的存储空间和通信方式，存在实时性差、采集容量小等缺点，已无法满足数据量越来越大的现代社会的需求，大容量数据存储已成为微控制器应用的瓶颈。为突破容量的限制，一般采用外扩存储器，比如U盘、SD卡等，并移植文件系统便于对数据进行后续管理和处理。

1采集系统方案设计

本系统由模拟量输入模块、USB传输模块、大容量存储模块和人机交互模块组成，系统框图如图1所示。模拟信号经信号调理输入模块处理后，通过模数转换器ADC转换为数字信号，再由STM32微控制器进行滤波等数据处理后，存储在SD卡里，并通过串口传输到上位机进行数据分析。

图1 采集系统方案图

1.1STM32F107微控制器[1]

系统采用了ST公司基于ARM CortexM3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F107作为控制核心。CortexM3内核专门用于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求，采用哈佛结构，能够达到1.25 DMIPS/MHz和0.19 mW/MHz，有单周期乘法指令和硬件除法指令。该芯片最高工作频率可达到72 MHz，具有256 KB的闪存以及64 KB的SRAM，以及性能出众的片上外设（如USB、USART、SPI、I2C、GPIO、PWM、10/100M Ethernet MAC等），最大限度地实现集成，丰富的片上资源大大简化了系统硬件，同时降低了系统功耗，待机电流仅为2 μA 。

1.224位A/D转换器控制原理[2]

ADS1252采用简单的三线串口接口进行控制和数据读取，其仅有一个数字输出引脚，该引脚为DOUT和DRDY之间的多路复用引脚。一次完整的转换需要耗费 384 个 CLK 周期，可将转换周期分为两个模式或阶段，即DOUT及DRDY（如图2所示）。该周期的第一阶段为DRDY模式。DOUT时隙结束后，DRDY信号的上升沿表示，在 36 个CLK 期内将可以使用新数据，在此时间内，可更新数据输出寄存器[3]，将该信号与STM32F107的外部中断使能引脚相连。 该周期的第二阶段为DOUT模式， 在此时间内，用户能够以串行移位时钟 (SCLK) 确定的数据速率安全地读取已转换数据。

图2 A/D转换器读取时序图

1.3SD卡简介[4]

SD卡是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型Flash存储器件。SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系统采用SPI模式。SD卡使用卡内智能控制模块进行Flash操作控制，包括协议、安全算法、数据存取、ECC算法、 缺陷处理和分析、电源管理、时钟管理。SD卡被广泛使用在便携装置，如数码相机、个人数码设备和多媒体播放器等，目前SD卡容量已经进入以G为单位的时代。

1.4FatFS文件系统[5]

FatFS是一种开源的FAT 文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。它完全采用标准C格式语法编写，完全独立于I/O 层，只需做简单的修改即可移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8 和ARM 等系列单片机上。FatFS的特点是分离缓冲FAT结构的每个文件，可以快速访问多个文件，支持多个驱动器和分区，支持FAT12、FAT16和FAT32，支持8.3格式的文件名，优化了8/16位微控制器。FatFS的设计思想是小块的数据可以通过Buffer存储，大块的数据直接存取，提高了存取速度和效率。FatFS模块层次结构如图3所示。

图3 FatFs 模块层次结构图

2SD卡操作

SD卡协议采用命令的方式进行数据操作[6]，因此SD卡和STM32F107的通信采用发送应答机制，每发送一个命令，SD卡都会给出一个应答，以告知主机该命令的执行情况，或者返回主机请求的数据。SPI模式下常用的命令如表1所列。

2.1SD卡初始化操作[7]

因为系统使用的是SPI模式，所以先得让卡进入SPI模式，方法如下：在SD卡收到复位（CMD0）时，CS引脚为低电平，则SPI模式被启用。不过在发送复位命令之前，要发送至少74个时钟周期，以保证SD卡内部供电电压的上升。在卡初始化的时候，时钟周期最大不能超过400 kHz，初始化完成后，才能切换到SPI高速模式。初始化流程如图4所示。

图4 SD卡初始化流程图

2.2SD卡读写操作

通过SD卡初始化，可以得知卡的类型（V1、V2、V2HC或MMC），完成初始化后，可以开始通过命令读写数据。SD卡读取数据通过命令CMD17来实现，流程如图5所示。

图5 SD卡读取数据流程图

SD卡写数据和读取数据差不多，只不过是通过命令CMD24来实现。

3FatFS文件系统移植[8]

FatFS文件系统，最顶层是应用层，使用时无需理会FatFS内部结构和复杂的Fat协议，只需要调用FatFS模块提供的API接口函数即可，比如f_open、f_read、f_write和f_close等，就像在PC机上读写文件那样简单。中间层是FatFS模块，实现了Fat文件读写协议，使用时不作修改，包含头文件即可。

需要编写移植代码的是FatFS模块提供的底层接口，它包括存储介质读写接口（disk I/O）和供给文件创建修改时间的实时时钟（RTC）。

从网站上下载FatFS的R0.09a版本源代码，解压后有两个文件夹：doc和src。前者是FatFS的说明文档，后者是源代码文件夹,移植时，只需要修改两个文件：ffconf.h和diskio.c。

首先，修改数据类型，修改integer.h，使其中定义的数据类型与keil mdk4.74编译器相对应。

其次，修改文件ffconf.h，按照需求配置相关功能。例如，_VOLUMES用于设置FatFS支持的逻辑设备数目，本系统只有一个存储设备（SD卡），所以_VOLUMES设置为1，其他设置可参考注释进行修改。

最后，编写底层函数，因为FatFS模块完全与磁盘I/O层分开，因此需要下面的函数来实现底层物理磁盘的读写与获取当前时间。打开diskio.c，进行底层驱动编写，编写6个接口函数，如图6所示。

图6 底层接口函数

DSTATUS disk_initialize()函数初始化磁盘驱动器，本系统采用SD卡作为存储介质，因此该函数主要就是对SD卡进行初始化操作，初始化成功后返回状态0。需要注意的是应用程序不能调用此函数，否则文件卷上的FAT结构可能会损坏。

DSTATUS disk_status()函数返回当前驱动器的状态，例如磁盘驱动初始化是否成功，驱动器中有无设备，设备是否写保护等。

DRESULT disk_read()函数从磁盘驱动器上读取扇区内容，调用SPI读取单个或多个块的内容。

DRESULT disk_write()函数调用SPI向磁盘写入一个或多个扇区。

DRESULT disk_ioctl()函数通过底层SPI驱动可以读取存储设备中的一些特殊寄存器（SD卡中的OCR、CID、RCA等），获得相关信息后，后续操作才能执行成功，比如格式化操作等。

DWORD get_fattime()函数获取当前时间。

通过以上3个步骤，完成了对FatFS文件系统的移植，在应用程序中可以调用该文件系统的API函数。

4硬件电路设计

4.1SD卡电路连接

图7为SD卡的硬件连接电路图。使用了STM32F107的SPI3，引脚PC3为SD卡片选，配置为推挽输出；PC12为MOSI，配置为推挽复用；PC11为MISO，配置为推挽复用，PC2引脚用来检测SD是否插入，配置为输入模式，硬件上拉；PC10引脚为SPI时钟信号，配置为推挽输出。

图7 SD卡硬件连接图

4.2采集电路设计

采集电路包括输入信号滤波、限幅、单端转差分等预处理电路，ADC和STM32F107之间通过SPI1接口连接，电路图如图8所示。A/D转换完成后，会在DOUT引脚产生一个下降沿，触发STM32F107的外部中断，在中断程序里，通过SPI1读取数据。读取多个数据完成后，再写入到SD卡。

图8 采集电路原理图

结语

本文完成了开源软件FatFS文件系统在STM32F107微控制器上的移植，设计了基于24位高精度A/D转换器。ADS1252的数据采集电路，将SD卡作为存储介质，对基于单片机的大容量数据采集系统具有借鉴意义。