張巖等

摘 要： 廣泛使用MSP430為主控單元的穿戴式健康監(jiān)護(hù)設(shè)備功能不斷發(fā)展，促使在該平臺(tái)下的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和功能評(píng)測(cè)的需求日益增強(qiáng)。在此介紹基于MSP430的FatFs文件系統(tǒng)的移植以及Micro SD卡讀/寫功能的實(shí)現(xiàn)方法，提出了Micro SD卡讀/寫功能的評(píng)測(cè)方案，并測(cè)試了不同條件下的讀/寫速率。結(jié)果表明，F(xiàn)atFs文件系統(tǒng)能被靈活地移植到MSP430系統(tǒng)中，并能適應(yīng)不同內(nèi)存環(huán)境的應(yīng)用需求，Micro SD卡的讀/寫速率與緩沖區(qū)大小直接相關(guān)。

關(guān)鍵詞： FatFs； MSP430； Micro SD； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0129?03

0 引 言

近年來，出現(xiàn)了腕表型的血氧監(jiān)測(cè)儀、睡眠生理監(jiān)護(hù)儀等各式各樣的可穿戴健康監(jiān)護(hù)設(shè)備[1]。使用者通過這類穿戴式設(shè)備可方便有效地對(duì)自身日常健康、亞健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，從而達(dá)到預(yù)防疾病、治未病的目的。為了便于長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)記錄，對(duì)健康狀態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行定期的分析，需要對(duì)日常監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期、快速、低功耗的存儲(chǔ)，這已成為此類醫(yī)療設(shè)備的必備功能。以低功耗為主要特點(diǎn)的MSP430微處理器是此類穿戴式設(shè)備應(yīng)用較為廣泛的開發(fā)平臺(tái)。由于已有的其他平臺(tái)上集成的工具包通常針對(duì)大數(shù)據(jù)量，高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)率的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[2?3]，設(shè)計(jì)過程中對(duì)功耗的考慮較少，往往難以滿足低功耗的要求。因此針對(duì)MSP430開發(fā)平臺(tái)，對(duì)日常監(jiān)護(hù)過程中長(zhǎng)期的、存儲(chǔ)量相對(duì)較小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)功耗與速度的平衡，是目前穿戴式設(shè)備開發(fā)過程中亟待解決的問題。

本文以具有超低功耗的MSP430單片機(jī)為主控制單元，討論在MSP430控制下如何實(shí)現(xiàn)Micro SD卡的讀/寫功能，并提出了在MSP430平臺(tái)下Micro SD卡讀/寫功能的測(cè)試方案，對(duì)不同條件下的讀/寫速率進(jìn)行了評(píng)估，本文結(jié)果為基于MSP430的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案的設(shè)計(jì)提供了實(shí)際參考。

1 硬件設(shè)計(jì)

主控芯片選用MSP430系列中MSP430F5438，因其RAM容量達(dá)16 KB，具有處理數(shù)據(jù)量較大任務(wù)的能力。MSP430的工作電壓為3.3 V與Micro SD卡的工作電壓一致，可以避免使用額外的電壓轉(zhuǎn)換模塊，降低了功耗和成本。由于日常監(jiān)護(hù)是長(zhǎng)期的、存儲(chǔ)量相對(duì)較小的過程，使得單片機(jī)更多是處于低功耗運(yùn)行的狀態(tài)，與AVR、STM等單片機(jī)相比，MSP430的多時(shí)鐘系統(tǒng)使功耗管理更為靈活[4?5]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用2 GB容量的Micro SD卡，Micro SD卡支持SDIO（Secure Digital Input and Output）訪問和SPI（Serial Peripheral Interface）訪問[6]，考慮到MSP430

F5438內(nèi)部已集成了SPI端口，故Micro SD卡與單片機(jī)的連接配置為SPI模式?？ú叟cMSP430F5438的連接如圖1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用雙緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)來保證在將一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入Micro SD卡的同時(shí)順利接收數(shù)據(jù)采集模塊上傳的新數(shù)據(jù)，并將新數(shù)據(jù)寫入另一個(gè)緩沖區(qū)以等待被寫入Micro SD卡，調(diào)整緩沖區(qū)大小即可改變讀/寫速度。為了保證寫入Micro SD卡與數(shù)據(jù)具有一定的可讀性，需要在Micro SD卡與電腦間建立一座溝通的橋梁，F(xiàn)at（File Allocation Table）文件系統(tǒng)即是這種能方便電腦讀出卡內(nèi)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織方式。因此軟件部分主要包括有FatFs模塊和Micro SD卡操作模塊，并在對(duì)Micro SD卡操作前配置好單片機(jī)的SPI工作方式。

2.1 FatFs的移植

FatFs是一種已經(jīng)被廣泛使用的、開源的文件系統(tǒng)模塊，通過接口函數(shù)可以被方便地移植到不同的微控制器平臺(tái)中[7]。由于本系統(tǒng)只涉及Micro SD卡的讀取和寫入，因此在配置時(shí)裁剪掉一些無關(guān)函數(shù)以進(jìn)一步縮小代碼和工作區(qū)所占空間。圖2為讀/寫文件時(shí)的一般流程。

2.2 Micro SD卡操作

圖3所示為Micro SD卡初始化過程。Micro SD卡初始化過程主要包括復(fù)位、識(shí)別2個(gè)過程。復(fù)位過程包括Micro SD卡上電延時(shí)并保持至少74個(gè)時(shí)鐘周期；拉低卡片選線CS；發(fā)送CMD0使卡進(jìn)入空閑狀態(tài)。識(shí)別過程包括判斷支持的SD協(xié)議版本；區(qū)分SD卡和MMC卡；若是SD卡還需進(jìn)一步識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)容量卡（SDSC）或者高容量卡（SDHC）；獲取卡工作電壓范圍。由于本系統(tǒng)采用Micro SD卡槽，并且單片機(jī)資源有限，因此簡(jiǎn)化MMC卡識(shí)別和獲取工作電壓范圍的步驟，只識(shí)別協(xié)議版本和卡容量。在初始化的最后，將數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度設(shè)置為512 B。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成以上移植后，利用單片機(jī)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)對(duì)移植后的讀/寫速度進(jìn)行了一系列測(cè)試，分別測(cè)試了不同緩沖區(qū)大小，F(xiàn)atFs不同配置對(duì)讀/寫速度的影響。測(cè)試環(huán)境：選用Kingston的2 GB容量Micro SD卡為測(cè)試對(duì)象；以10 MB大小的文件作測(cè)試文件；SPI時(shí)鐘設(shè)定為12 MHz；IAR v5.5軟件平臺(tái)；ITECH的IT6302型穩(wěn)壓電源。圖5所示為測(cè)試程序流程圖。

3.1 全功能FatFs配置測(cè)試

表1為FatFs全功能配置時(shí)讀/寫速度的測(cè)試結(jié)果。向卡內(nèi)讀出/寫入10 MB大小數(shù)據(jù)后，從定時(shí)器中獲得一次讀/寫用時(shí)，并如此重復(fù)執(zhí)行50次后，取每次讀/寫平均用時(shí)，以及在編譯器map文件中觀察到的程序占用空間大小。

流的差值。

3.2 TINY_FatFs配置測(cè)試

TINY模式通常被用在內(nèi)存較小的設(shè)備上，以犧牲讀/寫速度和一些API函數(shù)來降低內(nèi)存占用。在ffconf.h中修改配置選項(xiàng)：

#define _FS_TINY 1

開啟TINY模式，并重復(fù)3.1中測(cè)試步驟，表2為TINY模式下的測(cè)試結(jié)果。

從以上2個(gè)實(shí)驗(yàn)可知，讀/寫速度的快慢與緩沖區(qū)大小直接相關(guān)。表1中出現(xiàn)緩沖區(qū)512 B時(shí)速度快于1 024 B，可能是因?yàn)镸icro SD卡在讀/寫數(shù)據(jù)時(shí)是以數(shù)據(jù)塊為單位的，每次讀取兩個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)容時(shí)的執(zhí)行效率并沒有單塊讀取時(shí)高。當(dāng)緩沖區(qū)大于1 024 B后，多塊讀的效率才能真正體現(xiàn)出來。所以，在內(nèi)存較大的設(shè)備上，可以選擇較大的緩沖區(qū)以獲得較高的讀/寫速度；而在內(nèi)存較小的設(shè)備上，則需考慮緩沖區(qū)對(duì)內(nèi)存的影響。從電流消耗方面看，在進(jìn)行讀/寫操作時(shí)的電流消耗差別不大，要進(jìn)一步降低功耗有必要從縮短讀/寫時(shí)間、減少讀/寫次數(shù)兩個(gè)方面考慮，從側(cè)面印證了緩存區(qū)越大讀/寫效率越高。

流的差值。

4 結(jié) 語

實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的Micro SD卡存儲(chǔ)功能可以使穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備以更低的功耗、更小的體積實(shí)時(shí)記錄更大量的數(shù)據(jù)。讀/寫速度測(cè)試結(jié)果表明FatFs文件系統(tǒng)能被靈活地移植到各型號(hào)MSP430單片機(jī)上，適應(yīng)不同數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)注意的是Micro SD卡的讀/寫速率受到緩沖區(qū)大小的影響，在大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)應(yīng)選擇較大的緩沖區(qū)以獲得較高的讀/寫速度。讀/寫Micro SD卡本身是能耗較高的執(zhí)行動(dòng)作，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運(yùn)行還依賴于更高效的程序設(shè)計(jì)。本文的測(cè)試結(jié)果也適用于其他數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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