摘 要：利用ARM處理器LPC2l48與SD卡接口，設計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)場各種電能耗用數(shù)據(jù)及時保存到SD卡之中。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、室內數(shù)據(jù)分析的目的。同時SD卡內保存的數(shù)據(jù)也可以由記錄儀隨時讀取，在液晶顯示器上以文本或曲線方式進行回放。

　　SD卡作為新型移動存儲設備，以體積小、速度快、抗震動、通用性強的特點各受青睞。以SD卡作為存儲介質來保存企業(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卡結合ARM處理器LPC2l48設計的多參數(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)硬件設計

　　電能耗用記錄儀硬件電路如圖1所示，ARM核處理器LPC2l48是整個系統(tǒng)的核心，其工作頻率高達60 MHz，內置5l2 KB的閃存和16 KB的SRAM，并且?guī)в蠸PI總線、兩路A／D轉換器、實時時鐘等多種片內功能部件。電網中的電壓電流信號通過較高精度的互感器變換成1V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、濾波之后送人LPC2148內部兩路A／D轉換器，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定數(shù)據(jù)采集間隔、采集時間等，系統(tǒng)根據(jù)用戶設定啟動數(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。

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設備，SD卡的SPI通道由以下4個信號組成：CS（片選）、SCK（時鐘）、Dateln（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；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)送應答信號。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，通常有一個主設各和一個（或多個）從設備。工作時主設各通過提供同步時鐘和從設備使能信號來控制數(shù)據(jù)傳輸。主設各每次開始傳送數(shù)據(jù)時，必須先將片選信號置低以激活SD卡，使其進人工作狀態(tài)。SD卡在SPI方式下工作時，被選中的卡總是對來自于主設備的命令有所響應，當卡遇到錯誤時，將返回一個出錯響應來代替期望的數(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?。由于大容量SD卡的出現(xiàn)，SDI，x標準已經升級為SD2．0，但也因此出現(xiàn)許多電子設各無法驅動大容量SD卡的情況，如何識別SDI．x與SD2．0就顯得特別重要。SD卡上電后默認進人SD工作方式，應等待至少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。如果收到的應答信號為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)，因此在讀寫操作時應根據(jù)不同的卡對地址作相應處理。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用于移動存儲設備中。FAT32文件系統(tǒng)結構分為五個部分：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，由跳轉指令、結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——對應，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線性目錄項構成，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EDT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)（乃為整數(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)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件包括SD卡驅動、液晶驅動、A／D轉換驅動、鍵盤驅動以及各種數(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)采用模塊化層次結構，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動程序之上，底層驅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EDT中申請新目錄項，創(chuàng)建文件；寫人新文件時，在FAT表中查找未使用的簇，并將該簇號寫人文件對應目錄數(shù)據(jù)結構中的起始簇號位置，當文件長度大于一簇時，還需在FAT表中對應的起始簇號位置填人下一可用簇號，直到文件的最后一簇；刪除文件時，除F在EDT中將對應的目錄項設置相應標志外，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)設計時為用戶提供了各種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卡作為移動存儲器的多參數(shù)電能耗用記錄，可以對現(xiàn)場耗電數(shù)據(jù)進行實時采集和高速保存。利SD卡的良好移動性，可方便地實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)換，達到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、室內數(shù)據(jù)分析的目的。也可以過記錄儀鍵盤命令隨時讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，從液晶示屏幕上以文本或曲線方式進行實時顯示。隨著SD移動存儲性能的不斷提高，容量越來越大，其價格越越便宜，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用。