SD卡[1]作為新型移動存儲設(shè)備，以體積小、速度快、抗震動、通用性強的特點備受青睞。以SD卡作為存儲介質(zhì)來保存企業(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LPC2148設(shè)計的多參數(shù)電能耗用記錄儀，將現(xiàn)場采集的各類電能耗用數(shù)據(jù)按文件方式存儲到SD卡中,并且可以方便地與PC等上位機進行數(shù)據(jù)交換，從而滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)進行數(shù)據(jù)分析的要求，特別適合于長時間、大容量數(shù)據(jù)采集的場合。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　電能耗用記錄儀硬件電路如圖1所示，ARM核處理器LPC2148是整個系統(tǒng)的核心,其工作頻率高達60 MHz，內(nèi)置512 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、實時時鐘等多種片內(nèi)功能部件。電網(wǎng)中的電壓電流信號通過較高精度的互感器變換成1 V左右的交流信號，同時使記錄儀與強電隔離，對隔離后的交流信號進行整形、濾波之后送入LPC2148內(nèi)部兩路A/D轉(zhuǎn)換器，完成對電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的測量，LPC2148根據(jù)內(nèi)部實時時鐘提供的時間按高峰和低谷時段對耗電量進行分時計度，計算出瞬時電量、整點電量、總需量等參數(shù)。記錄儀采用點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。外擴矩陣鍵盤用于設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔、采集時間等，系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定啟動數(shù)據(jù)采集，并自動將采集得到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡存儲器中。

    SD卡可以采用SD和SPI兩種工作方式[2],在SPI方式下只需要4條信號線即可完成數(shù)據(jù)通信，操作簡單方便，而且很容易與LPC2148的SPI總線進行接口，接口引腳說明如表1所列。作為SPI設(shè)備,SD卡的SPI通道由以下4個信號組成:CS(片選)、SCK(時鐘)、DateIn(主機到卡的數(shù)據(jù)信號)和DateOut(卡到主機的數(shù)據(jù)信號)。CS是SD卡的片選信號線,在整個SPI 操作過程中,必須保持低電平有效；SCK時鐘用于同步；DateIn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。

2 SD卡在SPI方式下的讀寫實現(xiàn)
　SPI是一種通用同步串行接口總線，字長為8 bit。SPI協(xié)議是以主從方式工作的,通常有一個主設(shè)備和一個(或多個)從設(shè)備。工作時主設(shè)備通過提供同步時鐘和從設(shè)備使能信號來控制數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備每次開始傳送數(shù)據(jù)時，必須先將片選信號置低以激活SD卡,使其進入工作狀態(tài)。SD卡在SPI方式下工作時，被選中的卡總是對來自于主設(shè)備的命令有所響應(yīng)，當卡遇到錯誤時，將返回一個出錯響應(yīng)來代替期望的數(shù)據(jù)。
2.1 SD卡初始化
　SD卡在讀寫操作之前必須進行初始化,這是確保SD卡能在SPI方式下進行正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤帷Ｓ捎诖笕萘縎D卡的出現(xiàn)，SD1.x標準已經(jīng)升級為SD2.0，但也因此出現(xiàn)許多電子設(shè)備無法驅(qū)動大容量SD卡的情況，如何識別SD1.x與SD2.0就顯得特別重要。SD卡上電后默認進入SD工作方式，應(yīng)等待至少74個時鐘周期后，將片選信號置低，發(fā)送復位命令CMD0，等SD卡復位完成后再向SD卡發(fā)送CMD8命令。如果收到的應(yīng)答信號為01H，則表示為SD2.0卡，否則為SD1.x卡。SD1.x與SD2.0最大不同之處在于命令地址的表示，SD1.x的地址單位是字節(jié)，而SD2.0的地址單位是扇區(qū)，因此在讀寫操作時應(yīng)根據(jù)不同的卡對地址作相應(yīng)處理。圖2所示為SD卡在SPI方式下的初始化流程。

2.2 FAT32文件系統(tǒng)
　SD卡在能夠進行數(shù)據(jù)保存之前必須先按某種文件系統(tǒng)[3]的規(guī)定進行格式化，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)因具有高度兼容性而被廣泛應(yīng)用于移動存儲設(shè)備中。FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為五個部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)、DATA區(qū)。
　MBR區(qū)又稱為主引導記錄,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)簇號一一對應(yīng),反映了所有簇的使用情況。每個表項單元的大小決定了FAT的類型,比如FAT32的表項單元為32 bit。FAT表一般都有一個備份。
　FDT區(qū)存放文件目錄表,位于備份FAT表之后。FDT由32 bit線性目錄項構(gòu)成,記錄著根目錄下每個文件(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)存儲區(qū)，位于FDT之后,占據(jù)SD卡上的大部分空間。
　當SD卡格式化為FAT32分區(qū)時，文件系統(tǒng)就將這個分區(qū)當成整塊可分配的區(qū)域進行規(guī)劃，以便于數(shù)據(jù)的存儲。通常將SD卡空間以一定數(shù)目的扇區(qū)為單位進行劃分，這樣的單位稱為簇，簇的大小為2n個扇區(qū)(n為整數(shù))，每個扇區(qū)512 B，每個簇的最大存儲空間為32 KB。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　系統(tǒng)軟件包括SD卡驅(qū)動、液晶驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動以及各種數(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卡緩存模塊等，這些模塊都建立在底層驅(qū)動程序之上[4]，底層驅(qū)動程序則主要完成向SD卡某個扇區(qū)的讀寫。文件系統(tǒng)的功能是在SD卡中進行正確的文件數(shù)據(jù)操作，主要包括：在FDT中申請新目錄項，創(chuàng)建文件；寫入新文件時，在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫入文件對應(yīng)目錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的起始簇號位置，當文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應(yīng)的起始簇號位置填入下一可用簇號，直到文件的最后一簇；刪除文件時，除了在FDT中將對應(yīng)的目錄項設(shè)置相應(yīng)標志外，還要修改FAT表，將此文件使用的簇號位置清0，表示此簇當前未被使用等。FAT32文件系統(tǒng)存儲文件時最小單元為簇，即使一個很小的文件也會占用一簇，為了節(jié)約存儲空間，創(chuàng)建文件時如果有同名文件存在，則只需要向原來的同名文件追加數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)設(shè)計時為用戶提供了各種API函數(shù)，如創(chuàng)建文件函數(shù)Creat_File()，打開文件函數(shù)Open_FIle()，寫入文件函數(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)建文件并向其中寫入文件數(shù)據(jù)的流程圖。

    采用SD卡作為移動存儲器的多參數(shù)電能耗用記錄儀，可以對現(xiàn)場耗電數(shù)據(jù)進行實時采集和高速保存。利用SD卡的良好移動性，可方便地實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)交換，達到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析的目的。也可以通過記錄儀鍵盤命令隨時讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，從液晶顯示屏幕上以文本或曲線方式進行實時顯示。隨著SD卡移動存儲性能的不斷提高，容量越來越大，其價格越來越便宜，基于SD卡移動存儲器的多參數(shù)電能耗用記錄儀將會得到廣泛的應(yīng)用。
參考文獻
[1] SanDisk Corporation SD memory card specifications part 1, Physical Layer Specification Version 1.0, 2002.
[2] 周煜, 付宇卓. 基于SPI協(xié)議的MMC卡讀寫機制的實現(xiàn)[J]. 計算機仿真, 2005,22(1):97-99.
[3] 鄧劍, 楊曉非, 廖俊卿. FAT文件系統(tǒng)原理及實現(xiàn)[J]. 計算機與數(shù)字工程, 2005,33(9):105-108.
[4] 徐愛鈞. IAR EWARM V5嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用編程與開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2009.