基于μC/OS操作系统的TF卡存储系统

方　勋，蔡文郁，张　明，温端强（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

基于μC/OS操作系统的TF卡存储系统

方勋，蔡文郁，张明，温端强
（杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018）

针对Cortex-M3内核的STM32处理器平台，成功移植μC/OS操作系统，并引入FatFs开源软件，构建了FAT32通用文件系统。以温度采集与记录系统为实例，通过对μC/OS操作系统、FAT文件系统、TF卡等相关技术的分析，实现了面向TF卡存储媒介的大容量存储系统，将实时温度按时间关系存储至TF卡。

μC/OS-II；TF卡；FatFs文件系统模块

0　引言

随着嵌入式微处理器功能的不断增强，嵌入式系统广泛应用于音频、视频、故障记录、数据记录等大批量数据存储的场合，传统的由单片机构成的系统简单的对存储媒介按地址、按字节的读/写已然不能满足人们的实际需求。基于RTOS的存储系统在宕机、断电等异常发生时，可以保证数据的完整性以及能够快速地恢复正常工作。为了与现行PC平台共享数据，嵌入式系统迫切需要采用通用文件系统来实现大批量数据的管理［1］。因此，本文以基于μC/OS操作系统的TF卡存储系统的设计为研究对象，具有很好的实际意义。

本文基于μC/OS操作系统平台，设计并实现了以PT100铂电阻为温度传感器、以 STM32F107VCT6微处理器为核心的硬件平台，实现环境温度采集和实时时钟功能，并在PC上显示实时温度以及将温度数据按时间关系存储至TF卡文件中。系统实现框图如图1所示。

图1　系统实现框图

1　温度传感器

本文采用温度传感器 PT100测温。PT100是铂热电阻，当 PT100在 0℃时阻值为 100Ω，它的阻值会随着温度的增加呈规律性的变化。在-50℃～+600℃范围内，PT100具有其他任何温度传感器无法比拟的优势。PT100驱动电路如图2所示。

图2　PT100电桥臂驱动电路

在0≤t＜65℃时，PT100铂热电阻阻值与输出电压V的关系为V=k×R+b。在第一次使用PT100时，需要校准PT100。校准过程如下：

（1）在PT100插件处插上100Ω电阻，获取AD值记为Vm。

（2）在PT100插件处插上125Ω电阻，获取AD值记为Vn。

（3）根据数据（100，Vm）和（125，Vn）求取k、b系数。

（4）软件实现将k、b系数值存储至EEPROM中。

在使用PT100测试温度时，根据转换的AD电压值与k、b系数获取PT100阻值R。然后利用式（1）求取温度值：

T=sqrt（4×Pt_B×（R/Pt_R0）+Pt_A×Pt_A-4×Pt_B）-Pt_A）/（2×Pt_B）（1）其中，Pt_A=0.003 908 3，Pt_B=-0.000 000 577 5，Pt_R0= 100，单位为℃。

2　μC/OS-II操作系统

μC/OS-II是以任务为核心的实时操作系统，μC/OS-II V2.52可以管理 64个任务，任务管理包括：创建任务、挂起任务、删除任务、唤醒任务、改变任务优先级和获取任务状态。每个任务都有唯一的优先级，优先级号越低，任务的优先级越高，任务越重要。在任一给定的时刻，任务的状态已知，且为以下5种状态中的一种，各任务状态切换如图3所示。

（1）睡眠状态：任务驻留在程序空间中，还没有交给μC/OS操作系统内核管理。

（2）就绪状态：任务一旦建立，就处于就绪状态，准备运行。若新建的任务优先级比正运行的任务优先级高，则内核提供任务切换服务，新任务运行。

（3）运行状态：已经建立的、就绪状态中优先级别最高的任务进入运行状态。任何时刻只能有一个任务处于运行状态。

（4）等待状态：正在运行的任务通过调用OSTimeDly（）和OSTimeDlyHMSM（）函数实现延时，等待延迟时间到；运行中的任务可能需要等待某一事件的发生，从而进入等待状态。

（5）中断服务状态：运行中的任务被中断，从而进入中断服务状态［2］。

图3　μC/OS-II任务状态切换图

有时，任务或中断与任务之间需要传递信息，这种信息传递称为任务间的通信。μC/OS-II支持 3种通信方式：信号量、消息邮箱、消息队列，它们统称为事件。每个事件由独立的事件控制块 ECB控制，ECB定义了事件类型，包含了当前正在等待事件发生的任务号等信息。μC/OS-II还具有时间管理与内存管理等功能。

3　TF卡与FatFs文件系统

当嵌入式产品需要扩展系统容量用来存储数据时，目前常用的有 U盘、Flash芯片、TF卡等，其中最适合单片机系统的莫过于TF卡了，它不仅支持最大容量32 GB，还支持 SPI接口，且能在 TF卡上实现文件系统［3］。

FatFs Module是一种完全免费开源的 FAT文件系统模块，专门为小型嵌入式系统设计。FatFs的编写遵循ANSIC，并且完全与磁盘I/O层分开，经简单的修改便可移植到多种嵌入式处理器上［4］。FatFs系统框图如图 4所示。

图4　FatFs系统框图

FatFs具有清晰的层次结构，应用层提供规范的API接口函数，用户可直接调用这些函数实现读文件（f_read）、写文件（f_write）、打开文件（f_open）和一些文件夹操作等，所以即使不理解FatFs Module的内部结构以及复杂的FatFs协议，用户也可以通过这些API完成对文件的所有操作。

FatFs Module层为中间层，为 FatFs核心内容，主要实现了FAT协议。在移植过程中，不需要修改此部分内容。

底层是应用层与磁盘介质的接口，在移植过程中需要修改此部分，包括存储媒介读写接口I/O驱动以及文件操作的时间RTC等。最少只需要编写3个底层驱动函数：

（1）文件系统初始化函数

DSTATUS disk_initialize（BYTEdrv）

（2）文件系统读驱动

DRESULT disk_read（BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）

（3）文件系统写驱动

DRESULTdisk_write（BYTEdrv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）

用户根据具体的硬件平台填充相关函数，即可完成移植。

4　调试与结果

将 SD卡中 2014-10-28日 15：0：0～15：10：0的数据绘制成折线图，如图5所示。

5　结论

本文基于μC/OS-II操作系统平台设计并实现了以PT100铂电阻为温度传感器、以 STM32F107VCT6微处理器为核心的硬件平台，实现了环境温度采集和实时时钟功能，并在PC上显示实时温度以及将温度数据按时间关系存储至TF卡文件中［5］。

Design of TF card storage system based onμC/OS operating system

F a n g X u n，Ca i We n yu，Z h a n g M i n g，W e n Du a n q i a n g
（School of Electronics＆Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The thesis aims at transplantingμC/OS operating system on STM32 processor platform that in Cortex-M3 core，bringing in FatFs which is open source software，and builing FAT32 universal file system.The article applys temperature acquisition and records systemfor instance，and through analysingμC/OS operating system，FATfile systemand TFcard technology，it achieves high-capacity storage system in TF card storage media and saves the real-time temperature in TF card by time.

μC/OS-II；TF card；FatFs module

TP316.8，TP333

A

1674-7720（2015）06-0079-02