FatFS的水動力實驗數據存儲系統設計

摘要：針對在水動力實驗研究中數據量集中、數量多的問題，提出了一種基于FatFS文件系統的SD卡存儲系統設計方案。該系統以ST公司的STM32F103ZET6為核心，通過SDIO接口實現大量數據文件存儲。詳細講解了系統的USB模塊、RTC模塊等硬件設計，探討了在系統上移植FatFS文件系統的要點，并在SD卡上實現了FAT文件的讀寫功能。該系統傳輸速度快、可靠性強，具有一定的應用價值。
關鍵詞：STM32F103ZET6；數據存儲；SD卡；FatFS

引言
在水動力的實驗中，通過改變模型外形設計、迎水角度、水流速度等參數觀察空化現象對模型的影響。參數變化對應記錄一組實驗數據，而整個實驗過程，共有幾十組實驗數據需要分別采集、記錄。同時，實驗中空化產生到潰滅過程最好都能記錄下來以供后續研究。因此，對實驗中采用的數據采集系統提出了數據短時集中、文件數量多的要求。
本文采用了以SD卡為存儲體，采用FAT文件系統記錄數據的架構來處理數據。SD卡的核心是NANDFlash，由于體積小、功耗低的優點被廣泛應用于各類電子產品中。采用文件系統能夠對大容量存儲媒介進行高效的管理，并且適合于主流的Windows操作系統。文件系統采用開源的FatFS，實現了使用FAT文件系統的數據存儲系統。FatFS是專門為嵌入式系統設計的FAT文件系統模塊，它是免費開源的，完全用標準C語言編寫，具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到多種嵌入式處理器上。

1 系統結構
數據存儲系統結構如圖1所示。該數據存儲系統以ST公司的STM32F103ZET6為核心控制芯片，與上位機通過串行通信接口發送數據，或者USB接口直接寫數據，控制芯片以FAT文件的形式存儲在SD卡中。其自帶的RTC單元將存儲的數據文件以實時的系統時間命名，并在文件內容中也加入時間戳等信息，方便多個文件后期處理。由于實現了文件系統，用戶利用USB接口時，該系統被識別為U盤，可以用PC機進行任意的文件讀寫操作。

2 硬件結構
2．1 微控制器
STM32是ST公司推出的基于Cortex—M3內核的32位ARM芯片系列，本系統選用了STM32F103ZET6作為主控MCU，這個芯片屬于STM32F103系列的高容量芯片，片內Flash容量為512 KB，片內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位數據寬度，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外設總線和SD卡設備問提供了操作接口，支持不同的數據總線模式。SD規范協議中定義了對SD卡的兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。SD模式允許4線的高速數據傳輸。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勢。在本系統中，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單元實現了USB2．0全速總線和APB1總線間的接口，增強了系統的兼容性。還采用USB接口ESD防護器件NUP4114，滿足ESD防護標準IEC61000-4-2(ESD15kV air，8 kV Contact)。其USB外設支持USB掛起／回復操作，可以停止設備時鐘實現低功耗。USB接口如圖3所示。

2．4 RTC模塊
STM32F103ZET6的實時時鐘RTC模塊是一個獨立的定時器。RTC模塊擁有一組連續計數的計數器，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部，包含了40 kHz低速內部RC振蕩電路LSE。
但是，其精準度不是很高，本系統又增加了32．768 kHz的晶振電路驅動RTC實時時鐘。外圍電路增加紐扣電池即可長時間工作。