摘  要： 針對Cortex-M3內核的STM32處理器平臺，成功移植μC/OS操作系統，并引入FatFs開源軟件，構建了FAT32通用文件系統。以溫度采集與記錄系統為實例，通過對μC/OS操作系統、FAT文件系統、TF卡等相關技術的分析，實現了面向TF卡存儲媒介的大容量存儲系統，將實時溫度按時間關系存儲至TF卡。

　　關鍵詞： μC/OS-II；TF卡；FatFs文件系統模塊

0 引言

　　隨著嵌入式微處理器功能的不斷增強，嵌入式系統廣泛應用于音頻、視頻、故障記錄、數據記錄等大批量數據存儲的場合，傳統的由單片機構成的系統簡單的對存儲媒介按地址、按字節的讀/寫已然不能滿足人們的實際需求。基于RTOS的存儲系統在宕機、斷電等異常發生時，可以保證數據的完整性以及能夠快速地恢復正常工作。為了與現行PC平臺共享數據，嵌入式系統迫切需要采用通用文件系統來實現大批量數據的管理[1]。因此，本文以基于μC/OS操作系統的TF卡存儲系統的設計為研究對象，具有很好的實際意義。

　　本文基于μC/OS操作系統平臺，設計并實現了以PT100鉑電阻為溫度傳感器、以STM32F107VCT6微處理器為核心的硬件平臺，實現環境溫度采集和實時時鐘功能，并在PC上顯示實時溫度以及將溫度數據按時間關系存儲至TF卡文件中。系統實現框圖如圖1所示。

1 溫度傳感器

　　本文采用溫度傳感器PT100測溫。PT100是鉑熱電阻，當PT100在0℃時阻值為100 ?贅，它的阻值會隨著溫度的增加呈規律性的變化。在-50℃~+600℃范圍內，PT100具有其他任何溫度傳感器無法比擬的優勢。PT100驅動電路如圖2所示。

　　在0≤t<65℃時，PT100鉑熱電阻阻值與輸出電壓V的關系為V=k×R+b。在第一次使用PT100時，需要校準PT100。校準過程如下：

　　（1）在PT100插件處插上100 Ω電阻，獲取AD值記為Vm。

　　（2）在PT100插件處插上125 Ω電阻，獲取AD值記為Vn。

　　（3）根據數據（100，Vm）和（125，Vn）求取k、b系數。

　　（4）軟件實現將k、b系數值存儲至EEPROM中。

　　在使用PT100測試溫度時，根據轉換的AD電壓值與k、b系數獲取PT100阻值R。然后利用式（1）求取溫度值：

　　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，單位為℃。

2 μC/OS-II操作系統

　　μC/OS-II是以任務為核心的實時操作系統，μC/OS-II V2.52可以管理64個任務，任務管理包括：創建任務、掛起任務、刪除任務、喚醒任務、改變任務優先級和獲取任務狀態。每個任務都有唯一的優先級，優先級號越低，任務的優先級越高，任務越重要。在任一給定的時刻，任務的狀態已知，且為以下5種狀態中的一種，各任務狀態切換如圖3所示。

　　（1）睡眠狀態：任務駐留在程序空間中，還沒有交給μC/OS操作系統內核管理。

　　（2）就緒狀態：任務一旦建立，就處于就緒狀態，準備運行。若新建的任務優先級比正運行的任務優先級高，則內核提供任務切換服務，新任務運行。

　　（3）運行狀態：已經建立的、就緒狀態中優先級別最高的任務進入運行狀態。任何時刻只能有一個任務處于運行狀態。

　　（4）等待狀態：正在運行的任務通過調用OSTimeDly（）和OSTimeDlyHMSM（）函數實現延時，等待延遲時間到；運行中的任務可能需要等待某一事件的發生，從而進入等待狀態。

　　（5）中斷服務狀態：運行中的任務被中斷，從而進入中斷服務狀態[2]。

　　有時，任務或中斷與任務之間需要傳遞信息，這種信息傳遞稱為任務間的通信。μC/OS-II支持3種通信方式：信號量、消息郵箱、消息隊列，它們統稱為事件。每個事件由獨立的事件控制塊ECB控制，ECB定義了事件類型，包含了當前正在等待事件發生的任務號等信息。μC/OS-II還具有時間管理與內存管理等功能。

3 TF卡與FatFs文件系統

　　當嵌入式產品需要擴展系統容量用來存儲數據時，目前常用的有U盤、Flash芯片、TF卡等，其中最適合單片機系統的莫過于TF卡了，它不僅支持最大容量32 GB，還支持SPI接口，且能在TF卡上實現文件系統[3]。

　　FatFs Module是一種完全免費開源的FAT文件系統模塊，專門為小型嵌入式系統設計。FatFs的編寫遵循ANSIC，并且完全與磁盤I/O層分開，經簡單的修改便可移植到多種嵌入式處理器上[4]。FatFs系統框圖如圖4所示。

　　FatFs具有清晰的層次結構，應用層提供規范的API接口函數，用戶可直接調用這些函數實現讀文件（f_read）、寫文件（f_write）、打開文件（f_open）和一些文件夾操作等，所以即使不理解FatFs Module的內部結構以及復雜的FatFs協議，用戶也可以通過這些API完成對文件的所有操作。

　　FatFs Module層為中間層，為FatFs核心內容，主要實現了FAT協議。在移植過程中，不需要修改此部分內容。

　　底層是應用層與磁盤介質的接口，在移植過程中需要修改此部分，包括存儲媒介讀寫接口I/O驅動以及文件操作的時間RTC等。最少只需要編寫3個底層驅動函數：

　　（1）文件系統初始化函數

　　DSTATUS disk_initialize（BYTE drv）

　　（2）文件系統讀驅動

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

　　（3）文件系統寫驅動

　　DRESULT disk_write（BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）

　　用戶根據具體的硬件平臺填充相關函數，即可完成移植。

4 調試與結果

　　將SD卡中2014-10-28日15：0：0~15：10：0的數據繪制成折線圖，如圖5所示。

5 結論

　　本文基于μC/OS-II操作系統平臺設計并實現了以PT100鉑電阻為溫度傳感器、以STM32F107VCT6微處理器為核心的硬件平臺，實現了環境溫度采集和實時時鐘功能，并在PC上顯示實時溫度以及將溫度數據按時間關系存儲至TF卡文件中[5]。

　　由于該系統缺少與用戶交互界面，因此系統缺乏一定的靈活性。今后的工作就是實現PC與MCU的雙向通信，選擇在STM32平臺上移植GUI，提供給用戶更多的選擇。當然，通過交互界面，用戶可以一目了然地了解某一時段的環境溫度變化情況等。完善系統功能和提高采集數據精度仍是今后的主要工作。

參考文獻

　　[1] 李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統的SD卡存儲器設計[J].測控技術，2011，30（12）：79-81.

　　[2] 于鵬飛.嵌入式存儲設備上文件系統的設計與實現[D].大連：大連交通大學，2007.

　　[3] LABROSSE J J．嵌入式實時操作系統?滋C/OS-II[M]．邵貝貝，譯．北京：北京航空航天大學出版社，2003.

　　[4] 張云，惠曉威，肖迎杰.基于ARM的嵌入式文件系統研究與設計[J].計算機系統應用，2010，19（3）：299-231.

　　[5] 楊建光.基于μC/OS-II的溫度控制系統的研制[D].天津：中國民航大學，2007.