FatFS的水动力实验数据存储系统设计

摘要：针对在水动力实验研究中数据量集中、数量多的问题，提出了一种基于FatFS文件系统的SD卡存储系统设计方案。该系统以ST公司的STM32F103ZET6为核心，通过SDIO接口实现大量数据文件存储。详细讲解了系统的USB模块、RTC模块等硬件设计，探讨了在系统上移植FatFS文件系统的要点，并在SD卡上实现了FAT文件的读写功能。该系统传输速度快、可靠性强，具有一定的应用价值。
关键词：STM32F103ZET6；数据存储；SD卡；FatFS

引言
在水动力的实验中，通过改变模型外形设计、迎水角度、水流速度等参数观察空化现象对模型的影响。参数变化对应记录一组实验数据，而整个实验过程，共有几十组实验数据需要分别采集、记录。同时，实验中空化产生到溃灭过程最好都能记录下来以供后续研究。因此，对实验中采用的数据采集系统提出了数据短时集中、文件数量多的要求。
本文采用了以SD卡为存储体，采用FAT文件系统记录数据的架构来处理数据。SD卡的核心是NANDFlash，由于体积小、功耗低的优点被广泛应用于各类电子产品中。采用文件系统能够对大容量存储媒介进行高效的管理，并且适合于主流的Windows操作系统。文件系统采用开源的FatFS，实现了使用FAT文件系统的数据存储系统。FatFS是专门为嵌入式系统设计的FAT文件系统模块，它是免费开源的，完全用标准C语言编写，具有良好的硬件平台独立性，可以移植到多种嵌入式处理器上。

1 系统结构
数据存储系统结构如图1所示。该数据存储系统以ST公司的STM32F103ZET6为核心控制芯片，与上位机通过串行通信接口发送数据，或者USB接口直接写数据，控制芯片以FAT文件的形式存储在SD卡中。其自带的RTC单元将存储的数据文件以实时的系统时间命名，并在文件内容中也加入时间戳等信息，方便多个文件后期处理。由于实现了文件系统，用户利用USB接口时，该系统被识别为U盘，可以用PC机进行任意的文件读写操作。

2 硬件结构
2．1 微控制器
STM32是ST公司推出的基于Cortex—M3内核的32位ARM芯片系列，本系统选用了STM32F103ZET6作为主控MCU，这个芯片属于STM32F103系列的高容量芯片，片内Flash容量为512 KB，片内SRAM容量为64KB，LQFP144封装，72 MHz主频。具备完整的FSMC总线，26位地址线和16位数据宽度，即支持各种类型的SD卡接口。
2．2 MicroSD模块
STM32F103ZET6微控制器的SDIO单元在AHB外设总线和SD卡设备问提供了操作接口，支持不同的数据总线模式。SD规范协议中定义了对SD卡的两种访问模式：SD模式和SPI模式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式允许简单地通过SPI接口来和SD卡通信，这种模式同SD模式相比丧失了速度优势。在本系统中，采用了SDIO接口来访问SD卡，即SD模式。STM32F103ZET6和MicroSD模块接口如图2所示。

2．3 USB接口硬件
STM32F103ZET6的USB单元实现了USB2．0全速总线和APB1总线间的接口，增强了系统的兼容性。还采用USB接口ESD防护器件NUP4114，满足ESD防护标准IEC61000-4-2(ESD15kV air，8 kV Contact)。其USB外设支持USB挂起／回复操作，可以停止设备时钟实现低功耗。USB接口如图3所示。

2．4 RTC模块
STM32F103ZET6的实时时钟RTC模块是一个独立的定时器。RTC模块拥有一组连续计数的计数器，在软件配置下，可提供时钟日历的功能。RTC硬件都集成在处理器内部，包含了40 kHz低速内部RC振荡电路LSE。
但是，其精准度不是很高，本系统又增加了32．768 kHz的晶振电路驱动RTC实时时钟。外围电路增加纽扣电池即可长时间工作。

3 系统软件设计
系统采用的软件流程图如图4所示。

3．1 MicroSD接口函数
SD卡接口函数依据SD卡通信协议V2．0编写，需要SDIO口函数以及SD卡底层接口函数的支持。ST公司提供的库函数中包括了SDIO单元的操作，能很快实现SD卡模式的读写操作。其中，最重要的是2个函数：一个是SD_WriteBlock函数，向SD卡写入数据；另外一个是SD_Read Bl ock函数，用于读取SD卡上面的数据。读／写扇区结构图如图5和图6所示。

3．2 USB接口函数
本数据存储系统在工程中加入ST公司提供的USB函数，在主函数中调用即可完成USB的初始化过程。在中断映射单元中，将可能产生中断的USB事件映射到3个不同的NVIC请求线上：
◆USB低优先级中断(通道20)：可由所有USB事件触发(正确传输，USB复位等)，固件在处理中断前应当首先确定中断源。
◆USB高优先级中断(通道19)：仅能由同步和双缓冲批量传输的正确传输事件触发，目的是保证最大的传输速率。
◆USB唤醒中断(通道42)：由USB挂起模式的唤醒事件触发。
USB接口和SDIO接口都使用了STM32的嵌套向量中断控制器(NVIC)，需要对使用抢占式中断优先级和响应式中断优先级进行配置。设置SDIO接口的中断优先级最高，即抢占式优先级为0，响应式优先级为0。而USB的抢占式中断优先级为1，响应式优先级依次降低。USB接入Host流程图如图7所示。