DS3231在嵌入式環境文件系統中的應用＊

徐健，陳永冰，劉勇，賈玉柱

（海軍工程大學 導航工程系，武漢430033）

引 言

艦船自動舵參數采集傳輸系統設計中，大量的自動舵參數數據都存儲在外部介質SD卡中。為使存儲的采集數據可直接在PC機上讀取、處理，需要使用文件系統組織數據格式。文件系統是操作系統用于明確磁盤或分區上文件的方法和數據結構，是對文件的管理規則，也是操作系統的重要組成部分，而操作系統對處理器要求比較高，且占用一定的存儲空間，艦舵參數采集系統微處理器C8051F500沒有操作系統，這就需要在SD卡上建立文件系統。而建立文件系統就需要實時時鐘來管理數據文件的創建、修改、訪問等詳細時間信息。

通常用的單片機沒有實時時鐘部件，如果需要此功能就得使用定時器來實現，而一旦系統掉電時鐘就不能運行，嵌入式文件系統就沒有了時鐘，這與設計要求不相符。高精度實時時鐘芯片DS3231不僅能夠在一定溫度范圍內提供優于2 min/年的計時精度[1]，而且包含電池輸入端，斷開主電源仍然可以保持精確計時。因此，本文提出通過DS3231時鐘芯片連續不斷地給嵌入式文件系統提供實時時鐘的方案。

1 存儲系統結構

SD卡存儲系統結構如圖1所示，C8051F500單片機是主控芯片，通過SPI接口與SD卡實現數據通信，采集的數據在FAT32文件系統管理下，以文件形式存儲于SD卡中，如.txt、.doc、.dat等。

2 FAT32文件系統的實現

目前常用的文件系統有兩類[2]：基于微軟 Windows操作系統的 FAT16、FAT32、NTFS、ex FAT文件系統；Linux系統下的EXT2、EXT3、EXT4。Windows操作系統使用廣泛，且SD卡容量比較大，因此這里選用FAT32文件系統。

圖1 存儲系統框圖

FAT32文件系統的實現方法可以分為[3]：直接法，分析FAT32文件系統的組織結構，遵循文件生成機制，編寫程序代碼實現功能；移植法，移植FAT文件系統模塊，調用其提供的應用接口函數，同樣可以實現功能。

目前比較流行使用的FAT文件系統模塊主要有[4]：周立功公司的zlg/FS、Micrium 公司的 μC/FS、Source-Forge.net網站上發布的開源項目efsl，以及日本電子愛好者設計并維護的FATFS文件系統模塊。以上4個文件系統模塊各有特點：zlg/FS因讀寫速率較慢，主要用于實驗教學；Micrium公司的μC/FS一般在商業上使用；efsl及FATFS都是免費開源軟件，FATFS相對成熟一些。

圖2 FATFS架構圖

本文采用了移植FATFS Module方法，FATFS Module專門為小型嵌入式系統而設計，采用標準的C語言編程，具備良好的硬件平臺獨立性，移植到8051、AVR等單片機上，只需簡單修改。它還支持FAT 12、FAT 16和 FAT 32，以及多個存儲介質，可以對多個文件進行讀/寫。FATFS整體框架如圖2所示。

頂層是應用層，調用FATFS Module提供的一系列API函數（如：f＿open、f＿read、f＿write、f＿close等），用戶即使不理解FAT協議，也可以利用應用接口函數輕松地讀/寫文件；中間層完整地實現FAT文件讀/寫協議，用戶無需對此進行任何修改；底層是用戶在移植過程中需要處理的接口，需要用戶編寫代碼，它包括存儲介質的讀/寫接口Disk I/O和文件創建修改時間所需的實時時鐘。

嵌入式文件系統的移植可以分為3步：編寫SD卡的通信函數，編寫RTC時鐘函數和FATFS的移植。

編寫RTC時鐘函數實際上就是給文件系統時鐘函數DWORD get＿fattime（Void）賦值，連續提供給文件系統一個實時時鐘。DWORD get＿fattime（Void）需要RTC函數支持，返回一個32位無符號整數，時鐘信息包含在這32位中，如圖3所示。

圖3 時鐘位

3 DS3231實時時鐘芯片

3.1 DS3231器件

DS3231是Maxim公司生產的一款低成本、超高精度的I2C總線實時時鐘芯片[5]，該器件不僅能夠在一定溫度范圍內提供優于2 min/年的計時精度，而且省去了制造過程中晶振安裝和布線校準的工作。

DS3231實時時鐘（RTC），具有集成的溫補晶體振蕩器（TCX0）和1個32.768 k Hz的晶振，該晶振包含電池輸入端，斷開主電源仍然可以保持精確計時。集成晶體振蕩器可提供器件的長期精確度，并減少生產的元件數。DS3231提供商級和工業級溫度范圍，采用16引腳、300 mil的SO封裝[7]。RTC保持秒、分、時、星期、日期、月和年信息。當遇到少于31天的月份，將自動調整月末日期，包括閏年補償。時鐘可以工作于24小時模式或帶AM/PM指示的12小時。提供2個可編程日歷鬧鐘和1路可編程方波輸出。地址與數據通過I2C雙向串行傳輸。通過精密的、經過溫度補償的電壓基準和比較器來監視VCC狀態，檢測電源故障，提供復位輸出，并在必要時自動切換到備用電源。另外，RST監視引腳可作為手動按鈕輸入，以產生外部復位信號。

3.2 DS3231與單片機C8051F500的硬件連接

圖4為高精度實時時鐘芯片DS3231與主控制器C8051F500單片機的接口連接電路。

圖4 C8051F500單片機與DS3231時鐘芯片接口連接電路

DS3231的主要引腳功能說明：VCC用于主電源的DC引腳；INT/SQW為低電平有效中斷或方波輸出；RST是低電平有效復位引腳；GND為地；VBAT為備用電源輸入；SDA為串行數據輸入、輸出；SCL為串行時鐘輸入。

C8051F500通過I2C總線與DS3231連接，DS3231的VCC接系統電源VCC，VBAT為備用電源輸入，該引腳應該連接一個低泄漏電容去耦。INT/SQW為低電平有效中斷或方波輸出，該漏極開路輸出要求外接上拉電阻，如果不使用，可保持開路。微控制器主要通過I2C總線向時鐘芯片DS3231寫時間信息，DS3231以寫入的時間信息為基準精確走時。上電后，微控制器從時鐘芯片讀取時間信息并存入內存供系統使用，器件每隔64 s測量一次溫度，通過調節晶振的負載電容，使其在指定溫度達到2 ppm的精度[8]，最終達到提高時鐘精度的目的。即使系統斷電一段時間后重新上電，時鐘芯片內的實時數據仍能被正確讀出。

3.3 與嵌入式文件系統有關的特性

3.3.1 DS3231電源供電方式

DS3231有兩個電源引腳VCC和VBAT[9]，分別連接電源VCC和備用電池，它們之間的切換由溫度補償電壓基準（VPF）和監視VCC電平的比較器電路控制。當VCC高于VPF時，DS3231由VCC供電，當VCC低于VPF但高于VBAT時，DS3231由VCC供電；當VCC低于VPF和VBAT時，DS3231由VBAT供電；如果用一節容量為38 m Ah的電子表用紐扣鋰電池作備用電池，在系統掉電時電流損耗最大為3.5μA，則至少供電時間為：

t＝38×10-3/3.5×10-6＝10 857 h

按照這個理論，可以粗略估計備用電池供電時間，能夠滿足實際需要。

3.3.2 DS3231采用I2C總線通信方式

單片機C8051F500通過讀取時鐘芯片DS3231的值來給文件系統提供日期時間，也可以寫入DS3231一個任意的時間初始值，讓其依據設定值開始計時，這就要求研究這兩者之間的通信模式。DS3231工作于讀和寫兩種模式。

（1）DS3231寫模式

通過SDA線和SCL線來接收串行數據和時鐘[10]，收到每個字節后，發送應答位，START和STOP條件作為串行數據傳輸的開始和結束。

軟件設計流程如圖5所示。首先調用START＿IIC（）函數使單片機產生開始條件，再通過SendByte（）函數，發送DS3231寫地址，然后發出應答信號，接下來單片機向DS3231發送一個字地址（秒、分、時、日、月、年地址），產生應答信號后，再發送一個字節數據（秒、分、時、日、月、年數據）至DS3231設定初始化時間。產生應答信號后，調用STOP＿IIC函數來使單片機產生終止數據寫入條件。

（2）DS3231讀模式

接收和處理字節的方式與寫模式相同，但是在這種模式下，方向位指示的傳輸方向是相反的。DS3231向SDA發送串行數據，并由SCL輸入串行時鐘。

軟件設計流程如圖6所示。單片機產生START條件后，通過SendByte（）函數發送DS3231寫地址，產生應答信號后，發送一個字地址（秒、分、時、日、月、年地址）；產生應答信號后再通過SendByte（）函數發送DS3231讀地址；產生應答信號后，通過函數RcvByte（）從DS3231讀取一個字節數據（秒、分、時、日、月、年數據）來獲取時間；產生應答信號后，最后調用STOP＿IIC函數來使單片機產生終止數據讀取條件。

圖5 DS3231寫模式

圖6 DS3231讀模式

4 系統測試及結果

在系統測試中，C8051F500選用了22.118 400 MHz的外部晶振，存儲介質選用了金士頓8 GB SDHC卡，分別在主電源供電5 V和LITHIUM CELL GR1220紐扣電池供電3 V的情況下，對1980年之后的年、月、日、時、分、秒等時間信息進行設定任意初始值，并在PC機上查看了存儲在SD卡中的數據文件的創建、修改、訪問等具體時間信息。

測試結果表明，不論在主電源供電還是備用紐扣電池供電情況下，存儲在SDHC卡上的文件能夠精確顯示年、月、日、時、分、秒等時間信息。

結 語

本文提出的通過DS3231高精度時鐘芯片給嵌入式文件系統提供實時時間的方案具有可行性，解決了存儲在SD卡上的采集數據文件沒有實時時間的問題，并且在系統掉電情況下，通過一個紐扣鋰電池仍然能夠長時間連續不斷地提供精確的年、月、日、時、分、秒等時間信息，滿足了艦舵參數采集設計中對存儲在SD卡上的數據文件的創建、修改、訪問等時間信息的實際要求。

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