徐健，陳永冰，劉勇，賈玉柱

（海軍工程大學(xué) 導(dǎo)航工程系，武漢430033）

引 言

艦船自動(dòng)舵參數(shù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大量的自動(dòng)舵參數(shù)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在外部介質(zhì)SD卡中。為使存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)可直接在PC機(jī)上讀取、處理，需要使用文件系統(tǒng)組織數(shù)據(jù)格式。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對(duì)文件的管理規(guī)則，也是操作系統(tǒng)的重要組成部分，而操作系統(tǒng)對(duì)處理器要求比較高，且占用一定的存儲(chǔ)空間，艦舵參數(shù)采集系統(tǒng)微處理器C8051F500沒有操作系統(tǒng)，這就需要在SD卡上建立文件系統(tǒng)。而建立文件系統(tǒng)就需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘來管理數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問等詳細(xì)時(shí)間信息。

通常用的單片機(jī)沒有實(shí)時(shí)時(shí)鐘部件，如果需要此功能就得使用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，而一旦系統(tǒng)掉電時(shí)鐘就不能運(yùn)行，嵌入式文件系統(tǒng)就沒有了時(shí)鐘，這與設(shè)計(jì)要求不相符。高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231不僅能夠在一定溫度范圍內(nèi)提供優(yōu)于2 min/年的計(jì)時(shí)精度[1]，而且包含電池輸入端，斷開主電源仍然可以保持精確計(jì)時(shí)。因此，本文提出通過DS3231時(shí)鐘芯片連續(xù)不斷地給嵌入式文件系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘的方案。

1 存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，C8051F500單片機(jī)是主控芯片，通過SPI接口與SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采集的數(shù)據(jù)在FAT32文件系統(tǒng)管理下，以文件形式存儲(chǔ)于SD卡中，如.txt、.doc、.dat等。

2 FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

目前常用的文件系統(tǒng)有兩類[2]：基于微軟 Windows操作系統(tǒng)的 FAT16、FAT32、NTFS、ex FAT文件系統(tǒng)；Linux系統(tǒng)下的EXT2、EXT3、EXT4。Windows操作系統(tǒng)使用廣泛，且SD卡容量比較大，因此這里選用FAT32文件系統(tǒng)。

圖1 存儲(chǔ)系統(tǒng)框圖

FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法可以分為[3]：直接法，分析FAT32文件系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，遵循文件生成機(jī)制，編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)功能；移植法，移植FAT文件系統(tǒng)模塊，調(diào)用其提供的應(yīng)用接口函數(shù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)功能。

目前比較流行使用的FAT文件系統(tǒng)模塊主要有[4]：周立功公司的zlg/FS、Micrium 公司的 μC/FS、Source-Forge.net網(wǎng)站上發(fā)布的開源項(xiàng)目efsl，以及日本電子愛好者設(shè)計(jì)并維護(hù)的FATFS文件系統(tǒng)模塊。以上4個(gè)文件系統(tǒng)模塊各有特點(diǎn)：zlg/FS因讀寫速率較慢，主要用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Micrium公司的μC/FS一般在商業(yè)上使用；efsl及FATFS都是免費(fèi)開源軟件，F(xiàn)ATFS相對(duì)成熟一些。

圖2 FATFS架構(gòu)圖

本文采用了移植FATFS Module方法，F(xiàn)ATFS Module專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)的C語言編程，具備良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，移植到8051、AVR等單片機(jī)上，只需簡單修改。它還支持FAT 12、FAT 16和 FAT 32，以及多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀/寫。FATFS整體框架如圖2所示。

頂層是應(yīng)用層，調(diào)用FATFS Module提供的一系列API函數(shù)（如：f＿open、f＿read、f＿write、f＿close等），用戶即使不理解FAT協(xié)議，也可以利用應(yīng)用接口函數(shù)輕松地讀/寫文件；中間層完整地實(shí)現(xiàn)FAT文件讀/寫協(xié)議，用戶無需對(duì)此進(jìn)行任何修改；底層是用戶在移植過程中需要處理的接口，需要用戶編寫代碼，它包括存儲(chǔ)介質(zhì)的讀/寫接口Disk I/O和文件創(chuàng)建修改時(shí)間所需的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

嵌入式文件系統(tǒng)的移植可以分為3步：編寫SD卡的通信函數(shù)，編寫RTC時(shí)鐘函數(shù)和FATFS的移植。

編寫RTC時(shí)鐘函數(shù)實(shí)際上就是給文件系統(tǒng)時(shí)鐘函數(shù)DWORD get＿fattime（Void）賦值，連續(xù)提供給文件系統(tǒng)一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。DWORD get＿fattime（Void）需要RTC函數(shù)支持，返回一個(gè)32位無符號(hào)整數(shù)，時(shí)鐘信息包含在這32位中，如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘位

3 DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片

3.1 DS3231器件

DS3231是Maxim公司生產(chǎn)的一款低成本、超高精度的I2C總線實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片[5]，該器件不僅能夠在一定溫度范圍內(nèi)提供優(yōu)于2 min/年的計(jì)時(shí)精度，而且省去了制造過程中晶振安裝和布線校準(zhǔn)的工作。

DS3231實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），具有集成的溫補(bǔ)晶體振蕩器（TCX0）和1個(gè)32.768 k Hz的晶振，該晶振包含電池輸入端，斷開主電源仍然可以保持精確計(jì)時(shí)。集成晶體振蕩器可提供器件的長期精確度，并減少生產(chǎn)的元件數(shù)。DS3231提供商級(jí)和工業(yè)級(jí)溫度范圍，采用16引腳、300 mil的SO封裝[7]。RTC保持秒、分、時(shí)、星期、日期、月和年信息。當(dāng)遇到少于31天的月份，將自動(dòng)調(diào)整月末日期，包括閏年補(bǔ)償。時(shí)鐘可以工作于24小時(shí)模式或帶AM/PM指示的12小時(shí)。提供2個(gè)可編程日歷鬧鐘和1路可編程方波輸出。地址與數(shù)據(jù)通過I2C雙向串行傳輸。通過精密的、經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)和比較器來監(jiān)視VCC狀態(tài)，檢測電源故障，提供復(fù)位輸出，并在必要時(shí)自動(dòng)切換到備用電源。另外，RST監(jiān)視引腳可作為手動(dòng)按鈕輸入，以產(chǎn)生外部復(fù)位信號(hào)。

3.2 DS3231與單片機(jī)C8051F500的硬件連接

圖4為高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231與主控制器C8051F500單片機(jī)的接口連接電路。

圖4 C8051F500單片機(jī)與DS3231時(shí)鐘芯片接口連接電路

DS3231的主要引腳功能說明：VCC用于主電源的DC引腳；INT/SQW為低電平有效中斷或方波輸出；RST是低電平有效復(fù)位引腳；GND為地；VBAT為備用電源輸入；SDA為串行數(shù)據(jù)輸入、輸出；SCL為串行時(shí)鐘輸入。

C8051F500通過I2C總線與DS3231連接，DS3231的VCC接系統(tǒng)電源VCC，VBAT為備用電源輸入，該引腳應(yīng)該連接一個(gè)低泄漏電容去耦。INT/SQW為低電平有效中斷或方波輸出，該漏極開路輸出要求外接上拉電阻，如果不使用，可保持開路。微控制器主要通過I2C總線向時(shí)鐘芯片DS3231寫時(shí)間信息，DS3231以寫入的時(shí)間信息為基準(zhǔn)精確走時(shí)。上電后，微控制器從時(shí)鐘芯片讀取時(shí)間信息并存入內(nèi)存供系統(tǒng)使用，器件每隔64 s測量一次溫度，通過調(diào)節(jié)晶振的負(fù)載電容，使其在指定溫度達(dá)到2 ppm的精度[8]，最終達(dá)到提高時(shí)鐘精度的目的。即使系統(tǒng)斷電一段時(shí)間后重新上電，時(shí)鐘芯片內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)仍能被正確讀出。

3.3 與嵌入式文件系統(tǒng)有關(guān)的特性

3.3.1 DS3231電源供電方式

DS3231有兩個(gè)電源引腳VCC和VBAT[9]，分別連接電源VCC和備用電池，它們之間的切換由溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)（VPF）和監(jiān)視VCC電平的比較器電路控制。當(dāng)VCC高于VPF時(shí)，DS3231由VCC供電，當(dāng)VCC低于VPF但高于VBAT時(shí)，DS3231由VCC供電；當(dāng)VCC低于VPF和VBAT時(shí)，DS3231由VBAT供電；如果用一節(jié)容量為38 m Ah的電子表用紐扣鋰電池作備用電池，在系統(tǒng)掉電時(shí)電流損耗最大為3.5μA，則至少供電時(shí)間為：

t＝38×10-3/3.5×10-6＝10 857 h

按照這個(gè)理論，可以粗略估計(jì)備用電池供電時(shí)間，能夠滿足實(shí)際需要。

3.3.2 DS3231采用I2C總線通信方式

單片機(jī)C8051F500通過讀取時(shí)鐘芯片DS3231的值來給文件系統(tǒng)提供日期時(shí)間，也可以寫入DS3231一個(gè)任意的時(shí)間初始值，讓其依據(jù)設(shè)定值開始計(jì)時(shí)，這就要求研究這兩者之間的通信模式。DS3231工作于讀和寫兩種模式。

（1）DS3231寫模式

通過SDA線和SCL線來接收串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘[10]，收到每個(gè)字節(jié)后，發(fā)送應(yīng)答位，START和STOP條件作為串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先調(diào)用START＿IIC（）函數(shù)使單片機(jī)產(chǎn)生開始條件，再通過SendByte（）函數(shù)，發(fā)送DS3231寫地址，然后發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，接下來單片機(jī)向DS3231發(fā)送一個(gè)字地址（秒、分、時(shí)、日、月、年地址），產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，再發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（秒、分、時(shí)、日、月、年數(shù)據(jù)）至DS3231設(shè)定初始化時(shí)間。產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，調(diào)用STOP＿IIC函數(shù)來使單片機(jī)產(chǎn)生終止數(shù)據(jù)寫入條件。

（2）DS3231讀模式

接收和處理字節(jié)的方式與寫模式相同，但是在這種模式下，方向位指示的傳輸方向是相反的。DS3231向SDA發(fā)送串行數(shù)據(jù)，并由SCL輸入串行時(shí)鐘。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。單片機(jī)產(chǎn)生START條件后，通過SendByte（）函數(shù)發(fā)送DS3231寫地址，產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，發(fā)送一個(gè)字地址（秒、分、時(shí)、日、月、年地址）；產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后再通過SendByte（）函數(shù)發(fā)送DS3231讀地址；產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，通過函數(shù)RcvByte（）從DS3231讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)（秒、分、時(shí)、日、月、年數(shù)據(jù)）來獲取時(shí)間；產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)后，最后調(diào)用STOP＿IIC函數(shù)來使單片機(jī)產(chǎn)生終止數(shù)據(jù)讀取條件。

圖5 DS3231寫模式

圖6 DS3231讀模式

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

在系統(tǒng)測試中，C8051F500選用了22.118 400 MHz的外部晶振，存儲(chǔ)介質(zhì)選用了金士頓8 GB SDHC卡，分別在主電源供電5 V和LITHIUM CELL GR1220紐扣電池供電3 V的情況下，對(duì)1980年之后的年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息進(jìn)行設(shè)定任意初始值，并在PC機(jī)上查看了存儲(chǔ)在SD卡中的數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問等具體時(shí)間信息。

測試結(jié)果表明，不論在主電源供電還是備用紐扣電池供電情況下，存儲(chǔ)在SDHC卡上的文件能夠精確顯示年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息。

結(jié) 語

本文提出的通過DS3231高精度時(shí)鐘芯片給嵌入式文件系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間的方案具有可行性，解決了存儲(chǔ)在SD卡上的采集數(shù)據(jù)文件沒有實(shí)時(shí)時(shí)間的問題，并且在系統(tǒng)掉電情況下，通過一個(gè)紐扣鋰電池仍然能夠長時(shí)間連續(xù)不斷地提供精確的年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息，滿足了艦舵參數(shù)采集設(shè)計(jì)中對(duì)存儲(chǔ)在SD卡上的數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建、修改、訪問等時(shí)間信息的實(shí)際要求。

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