摘 要：利用ARM處理器LPC2l48與SD卡接口，設(shè)計(jì)了一種新穎的多參數(shù)電能耗用記錄儀，用于大容量耗電數(shù)據(jù)采集。該記錄儀采用FAT32文件系統(tǒng)，可將現(xiàn)場(chǎng)各種電能耗用數(shù)據(jù)及時(shí)保存到SD卡之中。利用SD卡的良好移動(dòng)性，可方便地實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析的目的。同時(shí)SD卡內(nèi)保存的數(shù)據(jù)也可以由記錄儀隨時(shí)讀取，在液晶顯示器上以文本或曲線方式進(jìn)行回放。

　　SD卡作為新型移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，以體積小、速度快、抗震動(dòng)、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)各受青睞。以SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)保存企業(yè)的電能耗用參數(shù)，可以有效提高數(shù)據(jù)保存的可靠性。采用SD卡結(jié)合ARM處理器LPC2l48設(shè)計(jì)的多參數(shù)電能耗用記錄儀，將現(xiàn)場(chǎng)采集的各類電能耗用數(shù)據(jù)按文件方式存儲(chǔ)到SD卡中，并且可以方便地與PC等上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的要求，特別適合于長(zhǎng)時(shí)間、大容量數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。

　　1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　電能耗用記錄儀硬件電路如圖1所示，ARM核處理器LPC2l48是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其工作頻率高達(dá)60 MHz，內(nèi)置5l2 KB的閃存和16 KB的SRAM，并且?guī)в蠸PI總線、兩路A／D轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等多種片內(nèi)功能部件。電網(wǎng)中的電壓電流信號(hào)通過(guò)較高精度的互感器變換成1V左右的交流信號(hào)，同時(shí)使記錄儀·與強(qiáng)電隔離，對(duì)隔離后的交流信號(hào)進(jìn)行整形、濾波之后送人LPC2148內(nèi)部?jī)陕稟／D轉(zhuǎn)換器，完成對(duì)電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的測(cè)量，LPC2148根據(jù)內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供的時(shí)間按高峰和低谷時(shí)段對(duì)耗電量進(jìn)行分時(shí)計(jì)度，計(jì)算出瞬時(shí)電量、整點(diǎn)電量、總需量等參數(shù)。記錄儀采用點(diǎn)陣圖形液晶顯示器作為本地顯示接口，既可以文本模式顯示所采集的數(shù)據(jù)，也可以圖形方式顯示采集數(shù)據(jù)曲線。外擴(kuò)矩陣鍵盤用于設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔、采集時(shí)間等，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，并自動(dòng)將采集得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡存儲(chǔ)器中。

圖1系統(tǒng)硬件框圖

　　SD卡可以采用SD和SPI兩種工作方式，在sPI方式下只需要4條信號(hào)線即可完成數(shù)據(jù)通信，操作簡(jiǎn)單方便，而且很容易與LPC2148的SPI總線進(jìn)行接口，接口引腳說(shuō)明如表1所列。作為SPI設(shè)備，SD卡的SPI通道由以下4個(gè)信號(hào)組成：CS（片選）、SCK（時(shí)鐘）、Dateln（主機(jī)到卡的數(shù)據(jù)信號(hào)）和DateOut（卡到主機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)）。CS是SD卡的片選信號(hào)線，在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，必須保持低電平有效；SCK時(shí)鐘用于同步；Dateln不但傳輸數(shù)據(jù)還發(fā)送命令；DateOut除了傳輸數(shù)據(jù)外，還發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。表1 LPC2148與SD卡卡座的連接引腳

　　2、SD卡在SPI方式下的讀寫實(shí)現(xiàn)

　　SPI是一種通用同步串行接口總線，字長(zhǎng)為8 bit。SPI協(xié)議是以主從方式工作的，通常有一個(gè)主設(shè)各和一個(gè)（或多個(gè)）從設(shè)備。工作時(shí)主設(shè)各通過(guò)提供同步時(shí)鐘和從設(shè)備使能信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)各每次開始傳送數(shù)據(jù)時(shí)，必須先將片選信號(hào)置低以激活SD卡，使其進(jìn)人工作狀態(tài)。SD卡在SPI方式下工作時(shí)，被選中的卡總是對(duì)來(lái)自于主設(shè)備的命令有所響應(yīng)，當(dāng)卡遇到錯(cuò)誤時(shí)，將返回一個(gè)出錯(cuò)響應(yīng)來(lái)代替期望的數(shù)據(jù)。

　　2.1 SD卡初始化

　　SD卡在讀寫操作之前必須進(jìn)行初始化，這是確保SD卡能在sPI方式下進(jìn)行正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤?。由于大容量SD卡的出現(xiàn)，SDI，x標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)升級(jí)為SD2．0，但也因此出現(xiàn)許多電子設(shè)各無(wú)法驅(qū)動(dòng)大容量SD卡的情況，如何識(shí)別SDI．x與SD2．0就顯得特別重要。SD卡上電后默認(rèn)進(jìn)人SD工作方式，應(yīng)等待至少74個(gè)時(shí)鐘周期后，將片選信號(hào)置低，發(fā)送復(fù)位命令CMD0，等SD卡復(fù)位完成后再向SD卡發(fā)送CMD8命令。如果收到的應(yīng)答信號(hào)為01H，則表示為SD2．0卡，否則為SDI。x卡SDI．x與SD2 0最大不同之處在于命令地址的表示，SDI．x的地址單位是字節(jié)，而SD2 0的地址單位是扇區(qū)，因此在讀寫操作時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的卡對(duì)地址作相應(yīng)處理。圖2所示為SD卡在sPI方式下的初始化流程。

圖2 SD卡在SPI方式下的初始化流程

　　2.2 FAT32文件系統(tǒng)

　　SD卡在能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)保存之前必須先按某種文件系統(tǒng)的規(guī)定進(jìn)行格式化，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)因具有高度兼容性而被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中。FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為五個(gè)部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、EDT區(qū)、DATA區(qū)。

　　MBR區(qū)又稱為主引導(dǎo)記錄，其后為64 B的磁盤分區(qū)表DPT。

　　DBR區(qū)即操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，占用分區(qū)的第0扇區(qū)，共512 B，由跳轉(zhuǎn)指令、結(jié)束標(biāo)志等幾部分組成。

　　FAT區(qū)存放文件分配表，文件分配表與數(shù)據(jù)區(qū)簇號(hào)——對(duì)應(yīng)，反映了所有簇的使用情況。每個(gè)表項(xiàng)單元的大小決定了FAT的類型，比如FAT32的表項(xiàng)單元為32 bit。FAT表一般都有一個(gè)各份。

　　EDT區(qū)存放文件目錄表，位于各份FAT表之后。EDT由32 bit線性目錄項(xiàng)構(gòu)成，記錄著根目錄下每個(gè)文件（子目錄）的起始單元、屬性等。

　　DATA區(qū)是真正意義上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，位于EDT之后，占據(jù)SD卡上的大部分空間。

　　當(dāng)SD卡格式化為FAT32分區(qū)時(shí)，文件系統(tǒng)就將這個(gè)分區(qū)當(dāng)成整塊可分配的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，以便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。通常將SD卡空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進(jìn)行劃分，這樣的單位稱為簇，簇的大小為2n個(gè)扇區(qū)（乃為整數(shù)），每個(gè)扇區(qū)512 B，每個(gè)簇的最大存儲(chǔ)空間為32 KB。

　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括SD卡驅(qū)動(dòng)、液晶驅(qū)動(dòng)、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)以及各種數(shù)據(jù)處理程序等。限于篇幅，這里僅介紹SD卡的文件系統(tǒng)操作。整個(gè)文件系統(tǒng)采用模塊化層次結(jié)構(gòu)，包括文件管理與目錄管理模塊、文件分配表管理模塊、SD卜緩存模塊等，這些模塊都建立在底層驅(qū)動(dòng)程序之上，底層驅(qū)動(dòng)程序則主要完成向SD卡某個(gè)扇區(qū)的讀寫。文件系統(tǒng)的功能是在SD卡中進(jìn)行正確的文件數(shù)據(jù)操作，主要包括：在EDT中申請(qǐng)新目錄項(xiàng)，創(chuàng)建文件；寫人新文件時(shí)，在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號(hào)寫人文件對(duì)應(yīng)目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的起始簇號(hào)位置，當(dāng)文件長(zhǎng)度大于一簇時(shí)，還需在FAT表中對(duì)應(yīng)的起始簇號(hào)位置填人下一可用簇號(hào)，直到文件的最后一簇；刪除文件時(shí)，除F在EDT中將對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志外，還要修改FAT表，將此文件使用的簇號(hào)位置清0，表示此簇當(dāng)前未被使用等。FAT32文件系統(tǒng)存儲(chǔ)文件時(shí)最小單元為簇，即使一個(gè)很小的文件也會(huì)占用一簇，為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，創(chuàng)建文件時(shí)如果有同名文件存在，則只需要向原來(lái)的同名文件追加數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為用戶提供了各種API函數(shù)，如創(chuàng)建文件函數(shù)Lre－at_Fie O，打開文件函數(shù)Open_FIle O，寫人文件函數(shù)Write File（），刪除文件函數(shù)Delete File（）等，調(diào)用這些API函數(shù)即可完成用戶所需要的功能。圖3所示為在SD卡中創(chuàng)建文件并向其中寫人文件數(shù)據(jù)的流程圖。

圖3在SD卡中創(chuàng)建文件并向其中寫人數(shù)據(jù)的流程圖

　　采用SD卡作為移動(dòng)存儲(chǔ)器的多參數(shù)電能耗用記錄，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和高速保存。利SD卡的良好移動(dòng)性，可方便地實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)換，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析的目的。也可以過(guò)記錄儀鍵盤命令隨時(shí)讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，從液晶示屏幕上以文本或曲線方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。隨著SD移動(dòng)存儲(chǔ)性能的不斷提高，容量越來(lái)越大，其價(jià)格越越便宜，基于SD卡移動(dòng)存儲(chǔ)器的多參數(shù)電能耗用記錄儀將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。