FatFS的水動力實驗數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對在水動力實驗研究中數(shù)據(jù)量集中、數(shù)量多的問題，提出了一種基于FatFS文件系統(tǒng)的SD卡存儲系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)以ST公司的STM32F103ZET6為核心，通過SDIO接口實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)文件存儲。詳細(xì)講解了系統(tǒng)的USB模塊、RTC模塊等硬件設(shè)計，探討了在系統(tǒng)上移植FatFS文件系統(tǒng)的要點，并在SD卡上實現(xiàn)了FAT文件的讀寫功能。該系統(tǒng)傳輸速度快、可靠性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6；數(shù)據(jù)存儲；SD卡；FatFS

引言
在水動力的實驗中，通過改變模型外形設(shè)計、迎水角度、水流速度等參數(shù)觀察空化現(xiàn)象對模型的影響。參數(shù)變化對應(yīng)記錄一組實驗數(shù)據(jù)，而整個實驗過程，共有幾十組實驗數(shù)據(jù)需要分別采集、記錄。同時，實驗中空化產(chǎn)生到潰滅過程最好都能記錄下來以供后續(xù)研究。因此，對實驗中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了數(shù)據(jù)短時集中、文件數(shù)量多的要求。
本文采用了以SD卡為存儲體，采用FAT文件系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的架構(gòu)來處理數(shù)據(jù)。SD卡的核心是NANDFlash，由于體積小、功耗低的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。采用文件系統(tǒng)能夠?qū)Υ笕萘看鎯γ浇檫M(jìn)行高效的管理，并且適合于主流的Windows操作系統(tǒng)。文件系統(tǒng)采用開源的FatFS，實現(xiàn)了使用FAT文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。FatFS是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的FAT文件系統(tǒng)模塊，它是免費(fèi)開源的，完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，具有良好的硬件平臺獨(dú)立性，可以移植到多種嵌入式處理器上。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)以ST公司的STM32F103ZET6為核心控制芯片，與上位機(jī)通過串行通信接口發(fā)送數(shù)據(jù)，或者USB接口直接寫數(shù)據(jù)，控制芯片以FAT文件的形式存儲在SD卡中。其自帶的RTC單元將存儲的數(shù)據(jù)文件以實時的系統(tǒng)時間命名，并在文件內(nèi)容中也加入時間戳等信息，方便多個文件后期處理。由于實現(xiàn)了文件系統(tǒng)，用戶利用USB接口時，該系統(tǒng)被識別為U盤，可以用PC機(jī)進(jìn)行任意的文件讀寫操作。

2 硬件結(jié)構(gòu)
2．1 微控制器
STM32是ST公司推出的基于Cortex—M3內(nèi)核的32位ARM芯片系列，本系統(tǒng)選用了STM32F103ZET6作為主控MCU，這個芯片屬于STM32F103系列的高容量芯片，片內(nèi)Flash容量為512 KB，片內(nèi)SRAM容量為64KB，LQFP144封裝，72 MHz主頻。具備完整的FSMC總線，26位地址線和16位數(shù)據(jù)寬度，即支持各種類型的SD卡接口。
2．2 MicroSD模塊
STM32F103ZET6微控制器的SDIO單元在AHB外設(shè)總線和SD卡設(shè)備問提供了操作接口，支持不同的數(shù)據(jù)總線模式。SD規(guī)范協(xié)議中定義了對SD卡的兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。SD模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式允許簡單地通過SPI接口來和SD卡通信，這種模式同SD模式相比喪失了速度優(yōu)勢。在本系統(tǒng)中，采用了SDIO接口來訪問SD卡，即SD模式。STM32F103ZET6和MicroSD模塊接口如圖2所示。

2．3 USB接口硬件
STM32F103ZET6的USB單元實現(xiàn)了USB2．0全速總線和APB1總線間的接口，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性。還采用USB接口ESD防護(hù)器件NUP4114，滿足ESD防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2(ESD15kV air，8 kV Contact)。其USB外設(shè)支持USB掛起／回復(fù)操作，可以停止設(shè)備時鐘實現(xiàn)低功耗。USB接口如圖3所示。

2．4 RTC模塊
STM32F103ZET6的實時時鐘RTC模塊是一個獨(dú)立的定時器。RTC模塊擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，在軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。RTC硬件都集成在處理器內(nèi)部，包含了40 kHz低速內(nèi)部RC振蕩電路LSE。
但是，其精準(zhǔn)度不是很高，本系統(tǒng)又增加了32．768 kHz的晶振電路驅(qū)動RTC實時時鐘。外圍電路增加紐扣電池即可長時間工作。