提出了用SD卡來實(shí)現(xiàn)記錄汽車CAN總線數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，介紹了基于LPC2368的SD卡FAT文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并給出了該設(shè)計(jì)的硬件接口與軟件實(shí)現(xiàn)，闡述了SD卡應(yīng)用于大容量數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞： CAN總線；SD卡；FAT文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)記錄

　　CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀(jì)80年代初，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式適應(yīng)了汽車的實(shí)時性和可靠性要求，備受汽車生產(chǎn)廠商的青睞。目前，汽車上的ECU(電控單元)之間使用CAN總線進(jìn)行通信,例如電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和防滑控制系統(tǒng)（ASR）等，記錄汽車CAN總線上的數(shù)據(jù)對于監(jiān)控汽車ECU間正確通信和研究汽車CAN網(wǎng)絡(luò)故障的原因具有重要的意義。
　　設(shè)計(jì)以SD卡作存儲載體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時記錄CAN總線上數(shù)據(jù)的記錄儀，具有容量大、體積小、重量輕、接口電路簡單等特點(diǎn)。并且記錄的數(shù)據(jù)文件可以為PC機(jī)所識別，通過PC機(jī)上的分析軟件對其進(jìn)行分析和回放，作為歷史數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)對比。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　SD卡應(yīng)用于CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，CAN總線數(shù)據(jù)儀工作時應(yīng)掛接到汽車CAN總線上，成為一個CAN節(jié)點(diǎn)，以便采集CAN數(shù)據(jù)信息。主控芯片的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將采集到的CAN數(shù)據(jù)以文件格式存儲在SD卡上。此外，SD卡在數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)上與PC機(jī)格式兼容，這里選用FAT32文件系統(tǒng)，使記錄數(shù)據(jù)可以直接供Windows操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序使用。

2  硬件接口設(shè)計(jì)
　　硬件平臺的控制核心采用NXP公司的ARM7芯片LPC2368, 該芯片是基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位微控制器，可在高達(dá)72 MHz的頻率下操作，功能強(qiáng)大且成本低，具有高達(dá)512 KB的片內(nèi)Flash、32 KB的SRAM，內(nèi)部具有豐富的系統(tǒng)外圍設(shè)備控制器，包括SD控制器和CAN控制器。
　　SD卡支持2種工作模式：SD模式和SPI模式。SD模式允許4線高速數(shù)據(jù)傳輸，SPI模式允許簡單通用的SPI通道接口, 但讀寫速度大大降低。由于CAN總線數(shù)據(jù)傳輸速率較高，因此本設(shè)計(jì)采用SD模式的4線高速數(shù)據(jù)傳輸功能。
　　LPC2368與SD卡接口電路如圖2所示，使用SD通信協(xié)議將SD和LPC2368相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。CMD傳輸SD控制器的命令及相關(guān)參數(shù)和SD卡對命令的響應(yīng)信號，DAT0、DAT1、DAT2、DAT3傳輸讀寫數(shù)據(jù)，CLK為時鐘信號，并由主控芯片來控制SD卡的電源。

3  軟件設(shè)計(jì)
3.1  SD卡底層讀寫
　　SD卡的讀寫操作都是基于命令的，主控芯片通過向SD卡發(fā)送相應(yīng)的命令并讀取相應(yīng)的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對SD卡的控制，在對SD卡讀寫之前，首先要對SD控制器進(jìn)行初始化，完成各項(xiàng)參數(shù)的配置，包括控制器與CPU數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄MA方式、傳輸速率和讀寫數(shù)據(jù)塊長度等，之后需要對SD卡進(jìn)行初始化，這是確保SD卡正常數(shù)據(jù)讀寫的前提。SD卡的初始化流程如圖3所示。

　　SD卡初始化完成之后如果要使用默認(rèn)的塊讀寫長度（512 B），就可以進(jìn)行SD卡的讀寫。當(dāng)然，也可用CMD16命令來設(shè)置SD卡的塊讀寫長度，可以是1B～512 B之間的任意值。但是對SD卡的寫過程則要求塊長度必須為512 B。無論是SD卡的讀還是寫，都要求在讀寫命令發(fā)送后有數(shù)據(jù)起始令牌FEH，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束有2 B的循環(huán)冗余編碼CRC。本設(shè)計(jì)采用默認(rèn)的塊讀寫長度。
3.2  FAT32文件系統(tǒng)
　　存儲在SD卡中的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，為了使其能為計(jì)算機(jī)所識別，SD卡文件系統(tǒng)必須與計(jì)算機(jī)的文件系統(tǒng)一致。目前Windows系列操作系統(tǒng)中最常用的文件系統(tǒng)有FAT16、FAT32及NTFS等。由于汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量大，并且記錄儀需要記錄長時間的數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計(jì)選擇FAT32作為SD卡的文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT32最大支持單個文件4 GB容量，滿足CAN數(shù)據(jù)記錄儀的要求。
　　FAT32文件系統(tǒng)由系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)、FAT表區(qū)、文件登記表區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)四部分組成。系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)存儲SD卡有關(guān)磁盤的結(jié)構(gòu)信息，包括扇區(qū)字節(jié)數(shù)、FAT表的數(shù)目和總扇區(qū)數(shù)等；FAT表是FAT32文件系統(tǒng)中用于磁盤數(shù)據(jù)（文件）索引和定位引進(jìn)的一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，它準(zhǔn)確記錄著已經(jīng)被占用的簇，并為每個已經(jīng)占用的簇指明存儲后續(xù)內(nèi)容的下一個簇的簇號。文件登記表FDT記錄文件的登記項(xiàng)，每個登記項(xiàng)占32 B，記錄了文件的起始簇號、大小以及創(chuàng)建和最后修改的時間等；數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲文件數(shù)據(jù)。
　　SD卡的文件系統(tǒng)主要功能包括創(chuàng)建文件、打開文件、寫文件、讀文件和關(guān)閉文件。在應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況，增刪以上功能，以簡化系統(tǒng)。
　　考慮數(shù)據(jù)采集對系統(tǒng)實(shí)時性的要求, 對FAT表區(qū)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，磁盤的空閑空間是連續(xù)的,采用連續(xù)存儲方式，這樣略去了每次去FAT表搜索空閑簇的過程，滿足系統(tǒng)對實(shí)時性的要求。簡化后的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)是直線鏈, 即寫滿一個扇區(qū)自動寫下一個扇區(qū), 寫滿一個簇自動寫下一個簇。
3.2.1  文件的創(chuàng)建
　　在SD卡上創(chuàng)建文件就是在文件目錄表FDT中申請登記項(xiàng)和向FAT表中的FAT項(xiàng)填寫空閑簇號的過程，流程圖如圖4所示。程序首先在系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)獲取SD卡磁盤的結(jié)構(gòu)信息；接著要檢測文件登記表FDT中是否已經(jīng)存在該文件，如果存在同名的文件，則返回，創(chuàng)建文件失??；然后申請空閑的FDT表項(xiàng)，申請F(tuán)DT 表項(xiàng)成功后，程序會檢測磁盤剩余的空間是否滿足新創(chuàng)文件數(shù)據(jù)長度的需要，然后尋找第一個空閑的簇號，并修改對應(yīng)的FDT表項(xiàng)。由于文件都是連續(xù)的,在FAT表中的FAT鏈表是直線鏈即前一簇指向后一簇，根據(jù)文件的大小，向FAT表區(qū)填寫FAT鏈表，直到最后一個FAT項(xiàng)寫入0x0FFFFFFFH，表示文件結(jié)束。

3.2.2  文件的讀/寫
　　SD卡上文件都是以簇為單位存取的，向SD卡上的文件寫數(shù)據(jù)時，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的文件登記項(xiàng)，根據(jù)文件登記項(xiàng)中的起始簇號即可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)中第1簇，向數(shù)據(jù)區(qū)對應(yīng)的簇中寫數(shù)據(jù)，并且可以在FAT表中找到第2個簇號。根據(jù)第2個簇號又能向第2簇寫數(shù)據(jù)并找到FAT 中的第3個簇號，以此類推，直到FAT表中最后一項(xiàng)0x0FFFFFFFH，完成寫文件。讀取文件的過程與寫文件類似。
　　SD卡在記錄汽車CAN總線數(shù)據(jù)中的應(yīng)用程序流程圖如圖5所示。其中LPC2368以中斷方式將接收到的CAN數(shù)據(jù)以及接收時的時間存儲到數(shù)據(jù)隊(duì)列里，并立即跳出中斷,進(jìn)行主程序的處理或等待下一幀數(shù)據(jù)的接收中斷,從而避免報(bào)文的丟失。

　　本設(shè)計(jì)采用SD卡作為外部存儲介質(zhì)，將實(shí)時采集到的CAN數(shù)據(jù)信息以標(biāo)準(zhǔn)文件的格式保存于SD卡中，具有性能可靠、使用方便、重量輕及存儲容量大等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。