摘  要： 针对Cortex-M3内核的STM32处理器平台，成功移植μC/OS操作系统，并引入FatFs开源软件，构建了FAT32通用文件系统。以温度采集与记录系统为实例，通过对μC/OS操作系统、FAT文件系统、TF卡等相关技术的分析，实现了面向TF卡存储媒介的大容量存储系统，将实时温度按时间关系存储至TF卡。

　　关键词： μC/OS-II；TF卡；FatFs文件系统模块

0 引言

　　随着嵌入式微处理器功能的不断增强，嵌入式系统广泛应用于音频、视频、故障记录、数据记录等大批量数据存储的场合，传统的由单片机构成的系统简单的对存储媒介按地址、按字节的读/写已然不能满足人们的实际需求。基于RTOS的存储系统在宕机、断电等异常发生时，可以保证数据的完整性以及能够快速地恢复正常工作。为了与现行PC平台共享数据，嵌入式系统迫切需要采用通用文件系统来实现大批量数据的管理[1]。因此，本文以基于μC/OS操作系统的TF卡存储系统的设计为研究对象，具有很好的实际意义。

　　本文基于μC/OS操作系统平台，设计并实现了以PT100铂电阻为温度传感器、以STM32F107VCT6微处理器为核心的硬件平台，实现环境温度采集和实时时钟功能，并在PC上显示实时温度以及将温度数据按时间关系存储至TF卡文件中。系统实现框图如图1所示。

1 温度传感器

　　本文采用温度传感器PT100测温。PT100是铂热电阻，当PT100在0℃时阻值为100 ?赘，它的阻值会随着温度的增加呈规律性的变化。在-50℃~+600℃范围内，PT100具有其他任何温度传感器无法比拟的优势。PT100驱动电路如图2所示。

　　在0≤t<65℃时，PT100铂热电阻阻值与输出电压V的关系为V=k×R+b。在第一次使用PT100时，需要校准PT100。校准过程如下：

　　（1）在PT100插件处插上100 Ω电阻，获取AD值记为Vm。

　　（2）在PT100插件处插上125 Ω电阻，获取AD值记为Vn。

　　（3）根据数据（100，Vm）和（125，Vn）求取k、b系数。

　　（4）软件实现将k、b系数值存储至EEPROM中。

　　在使用PT100测试温度时，根据转换的AD电压值与k、b系数获取PT100阻值R。然后利用式（1）求取温度值：

　　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，单位为℃。

2 μC/OS-II操作系统

　　μC/OS-II是以任务为核心的实时操作系统，μC/OS-II V2.52可以管理64个任务，任务管理包括：创建任务、挂起任务、删除任务、唤醒任务、改变任务优先级和获取任务状态。每个任务都有唯一的优先级，优先级号越低，任务的优先级越高，任务越重要。在任一给定的时刻，任务的状态已知，且为以下5种状态中的一种，各任务状态切换如图3所示。

　　（1）睡眠状态：任务驻留在程序空间中，还没有交给μC/OS操作系统内核管理。

　　（2）就绪状态：任务一旦建立，就处于就绪状态，准备运行。若新建的任务优先级比正运行的任务优先级高，则内核提供任务切换服务，新任务运行。

　　（3）运行状态：已经建立的、就绪状态中优先级别最高的任务进入运行状态。任何时刻只能有一个任务处于运行状态。

　　（4）等待状态：正在运行的任务通过调用OSTimeDly（）和OSTimeDlyHMSM（）函数实现延时，等待延迟时间到；运行中的任务可能需要等待某一事件的发生，从而进入等待状态。

　　（5）中断服务状态：运行中的任务被中断，从而进入中断服务状态[2]。

　　有时，任务或中断与任务之间需要传递信息，这种信息传递称为任务间的通信。μC/OS-II支持3种通信方式：信号量、消息邮箱、消息队列，它们统称为事件。每个事件由独立的事件控制块ECB控制，ECB定义了事件类型，包含了当前正在等待事件发生的任务号等信息。μC/OS-II还具有时间管理与内存管理等功能。

3 TF卡与FatFs文件系统

　　当嵌入式产品需要扩展系统容量用来存储数据时，目前常用的有U盘、Flash芯片、TF卡等，其中最适合单片机系统的莫过于TF卡了，它不仅支持最大容量32 GB，还支持SPI接口，且能在TF卡上实现文件系统[3]。

　　FatFs Module是一种完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型嵌入式系统设计。FatFs的编写遵循ANSIC，并且完全与磁盘I/O层分开，经简单的修改便可移植到多种嵌入式处理器上[4]。FatFs系统框图如图4所示。

　　FatFs具有清晰的层次结构，应用层提供规范的API接口函数，用户可直接调用这些函数实现读文件（f_read）、写文件（f_write）、打开文件（f_open）和一些文件夹操作等，所以即使不理解FatFs Module的内部结构以及复杂的FatFs协议，用户也可以通过这些API完成对文件的所有操作。

　　FatFs Module层为中间层，为FatFs核心内容，主要实现了FAT协议。在移植过程中，不需要修改此部分内容。

　　底层是应用层与磁盘介质的接口，在移植过程中需要修改此部分，包括存储媒介读写接口I/O驱动以及文件操作的时间RTC等。最少只需要编写3个底层驱动函数：

　　（1）文件系统初始化函数

　　DSTATUS disk_initialize（BYTE drv）

　　（2）文件系统读驱动

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

　　（3）文件系统写驱动

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

　　用户根据具体的硬件平台填充相关函数，即可完成移植。

4 调试与结果

　　将SD卡中2014-10-28日15：0：0~15：10：0的数据绘制成折线图，如图5所示。

5 结论

　　本文基于μC/OS-II操作系统平台设计并实现了以PT100铂电阻为温度传感器、以STM32F107VCT6微处理器为核心的硬件平台，实现了环境温度采集和实时时钟功能，并在PC上显示实时温度以及将温度数据按时间关系存储至TF卡文件中[5]。

　　由于该系统缺少与用户交互界面，因此系统缺乏一定的灵活性。今后的工作就是实现PC与MCU的双向通信，选择在STM32平台上移植GUI，提供给用户更多的选择。当然，通过交互界面，用户可以一目了然地了解某一时段的环境温度变化情况等。完善系统功能和提高采集数据精度仍是今后的主要工作。

参考文献

　　[1] 李世奇，董浩斌，李荣生.基于FatFs文件系统的SD卡存储器设计[J].测控技术，2011，30（12）：79-81.

　　[2] 于鹏飞.嵌入式存储设备上文件系统的设计与实现[D].大连：大连交通大学，2007.

　　[3] LABROSSE J J．嵌入式实时操作系统?滋C/OS-II[M]．邵贝贝，译．北京：北京航空航天大学出版社，2003.

　　[4] 张云，惠晓威，肖迎杰.基于ARM的嵌入式文件系统研究与设计[J].计算机系统应用，2010，19（3）：299-231.

　　[5] 杨建光.基于μC/OS-II的温度控制系统的研制[D].天津：中国民航大学，2007.