大容量SD卡在海洋数据存储中的应用

本设计使用8 GB的SDHC(High Capacity SD Memory Card，大容量SD存储卡)，为了方便卡上数据在操作系统上的读取，以及数据的进一步分析和处理，在SDHC卡上建立了FAT32文件系统。

海洋要素测量系统要求数据存储量大、安全性高，采用可插拔式存储卡是一种不错的选择。目前，可插拔式存储卡有CF卡、U盘及SD卡。CF卡不能与计算机直接通信；U盘需要外扩接口芯片才能与单片机通信，增加了外形尺寸及功耗；而SD卡具有耐用、可靠、安全、容量大、体积小、便于携带和兼容性好等优点，非常适合于测量系统长期的数据存储。

1 SD卡接口的硬件设计

STM32F103xx增强型系列是意法半导体公司生产的基于Cortex-M3的高性能的32位RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(128 KB的闪存和20 KB的SRAM)，以及丰富的增强I／O端口和连接到2条APB总线的外设。STM32F103xx系列工作于-40～+105℃的温度范围，供电电压为2.0～3.6 V，与SD卡工作电压兼容，一系列的省电模式可满足低功耗应用的要求。

SD卡支持SD模式和SPI模式两种通信方式。采用SPI模式时，占用较少的I／O资源。STM32F103VB包含串行外设SPI接口，可方便地与SD卡进行连接。通过4条信号线即可完成数据的传输，分别是时钟SCLK、主机输入从机输出MISO、主机输出从机输入MOSI和片选CS。STM32F103VB与SD卡卡座的接口电路如图1所示。



SD卡的最高数据读写速度为10 MB／s，接口电压为2.7～3.6 V，具有9个引脚。SD卡使用卡座代替传输电缆，减少了环境干扰，降低了出错率，而且1对1传输没有共享信道的问题。SD卡在SPI模式下各引脚的定义如表1所列。



2 SD卡接口的软件设计

本设计采用STM32F103VB自带的串行外设SPI接口与SD卡进行通信，这里只介绍SPI模式的通信方式。

2.1SD卡的读写

先对STM32F103VB的SPI_CRl(SPI控制寄存器)以及SPI_SR(SPI状态寄存器)进行初始化设置，使能SPI并使用主机模式；同时设置好时钟，在时钟上升沿锁存数据。SPI通道传输的基本单位是字节，由STM32F103VB控制其和SD卡之间的所有通信。

要读写SD卡，首先要对其进行初始化。初始化成功后，即可通过发送相应的读写命令对SD卡进行读写。SD卡的读写流程如图2所示。



2.2 SD1.x与SD2.0标准的识别

由于大容量SDHC的出现，SD1.x满足不了SDHC的容量要求，标准已经升级为SD2.0。但也因此出现了许多电子设备无法驱动大容量SD卡的情况，如何识别SD1.x与SD2.0就显得尤为重要。SD2.0的SPI模式初始化流程如图3所示。



判断是否为SD2.0卡，CMD8(SD2.0新增的命令)是关键。若卡是SD2.0，则发送CMD8将会返回有效响应；若是SD1.x，则返回非法响应，这样就可以识别SD卡的类型。

SD1.x与SD2.0的最大不同在于命令地址的表示。SD1.x的地址单位是字节，而SD2.0的地址单位是扇区，地址仍然采用32位4个字节来表示。因此在读写操作时应该根据不同的卡对地址进行相应的处理，若是SD1.x则写入字节地址，若为SD2.0则写入扇区地址。

3 FAT32文件系统

目前有3种FAT文件系统：FAT12、FAT16和FAT32。它们的区别在于文件分配表(File Allocation Table，FAT)中每一表项的大小(也就是所占的位数)：FAT12为12位，FATl6为16位，FAT32为32位。本设计选择FAT32文件系统。

由于文件存储在硬盘上占用的存储器空间以簇为最小单位，FAT32文件系统不适合管理容量低于512 MB的存储器。簇如果太大，存储小文件会浪费大量的存储空间；如果太小，FAT表会变大，不方便管理。综合考虑，FAT32每簇大小为4 KB。

3.1FAT32文件系统结构

FAT32文件系统可以分为以下几部分；保留区(reserved region)，存放FAT文件系统的重要参数和引导程序；FAT区(FAT region)，记录簇(cluster)的使用情况；根目录区(root directory region)，记录根目录信息，FAT32文件系统舍弃了这个区，根目录区可以指定为任意一个簇；文件目录数据区(file and directory data region)，是各种文件数据实际存放的区域。

保留区中的BPB表从扇区0偏移11个字节开始，共占25字节。表2是格式化为FAT32文件系统的8 GBSD卡首扇区中读出的BPB参数内容。



在保留区之后是FAT区，存有文件分配表。一般文件系统中有2份文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BPB表中查得。

由于采用的是SDHC卡和FAT32文件系统，紧接在FAT区之后的是文件目录数据区，真正意义上的数据从这个区开始，以簇编号，顺序上第1个簇编号为第2簇，此簇通常为FAT32根目录所用。FAT16从根目录所占的32个扇区之后的第一个扇区开始以簇为单位进行数据处理，这之前仍以扇区为单位。目录与数据是统一放到这个区域的，并且都不是在一个连续的区域内存放。没有任何特殊标记来区分哪个簇是目录项，哪个簇是数据项，而是由文件系统从根目录出发通过查找的方法来确定簇的类型。

3.2 FAT32文件系统实现

本文设计的文件系统采用模块化层次结构，其总体框架如图4所示。其中，箭头表示调用关系。



应用程序是面向用户的，为满足某种功能需求而编写的程序。可以通过调用文件系统提供的API函数对文件和目录进行相应的操作。

文件管理和目录管理模块是直接与应用程序接口的模块，位于整个文件系统的最高层。文件管理模块提供所有与文件操作相关的函数，目录管理模块提供所有与目录操作相关的函数。在对文件操作的大多数情况下，文件管理模块需要调用目录管理模块的相关功能。

文件分配表管理模块主要用来对文件系统的FAT表进行管理，根据系统的请求对FAT表的内容进行相应的修改。文件目录表管理模块主要提供对文件和目录的基本属性信息的管理。这两个模块管理着文件系统的两个重要数据结构，应用程序不能直接调用它们。

缓存模块是为了降低系统访问SD卡的次数，提高整个系统的处理速度而加入的。它使用了部分RAM作为缓存来保存一些访问过的扇区的数据，一般用来加载FAT表和FDT表的数据；向SD卡写入数据时，也需要用它加载数据。

以上几个模块的操作都建立在底层驱动程序上。底层驱动程序主要是向SD卡读写某个扇区的程序。

文件分配表管理模块包含几个处理簇链的函数，如获取指定簇下一簇簇号(fat_next_clus())、建立簇与指定簇的链接关系(fat_link_clus())、在簇后增加一个空白簇到簇链中(fat_add_clus())和删除指定簇的簇链(fat_del_clus_chain())。文件目录表管理模块包含几个处理文件登记项的函数，如在给定目录下查找文件(fat_find_fdt())、在给定目录下添加文件(fat_add_fdt())和在给定目录下删除文件(fat_delete_fdt())。目录管理模块主要是实现建立、删除目录的操作，包含的函数有根据路径查找目录所在簇(fat_open_dir())、建立目录(fat_make_dir())和删除目录(fat_del_dir())。用户使用文件系统主要是对文件的操作，文件管理模块提供了对文件的创建、修改和删除等操作，包含函数新建文件(file_create())、打开文件(file_open())、读写指针设定(file_seek())、读取文件数据(file_read())、写入文件数据(file_write())、删除文件(file_delete())和关闭文件(file_close())。

结语

本文介绍了SD卡在海洋数据存储中的应用，使用高性能的STM32F103xx系列处理器提高了SD卡的数据读写速率，很好地解决了海洋数据采集中的大容量存储问题和SDl.x与SD2.0的识别问题，并给出了适用于SD卡的FAT32文件系统的参数设置及其实现方法。