DS3231在嵌入式环境文件系统中的应用＊

徐健，陈永冰，刘勇，贾玉柱

（海军工程大学 导航工程系，武汉430033）

引 言

舰船自动舵参数采集传输系统设计中，大量的自动舵参数数据都存储在外部介质SD卡中。为使存储的采集数据可直接在PC机上读取、处理，需要使用文件系统组织数据格式。文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上文件的方法和数据结构，是对文件的管理规则，也是操作系统的重要组成部分，而操作系统对处理器要求比较高，且占用一定的存储空间，舰舵参数采集系统微处理器C8051F500没有操作系统，这就需要在SD卡上建立文件系统。而建立文件系统就需要实时时钟来管理数据文件的创建、修改、访问等详细时间信息。

通常用的单片机没有实时时钟部件，如果需要此功能就得使用定时器来实现，而一旦系统掉电时钟就不能运行，嵌入式文件系统就没有了时钟，这与设计要求不相符。高精度实时时钟芯片DS3231不仅能够在一定温度范围内提供优于2 min/年的计时精度[1]，而且包含电池输入端，断开主电源仍然可以保持精确计时。因此，本文提出通过DS3231时钟芯片连续不断地给嵌入式文件系统提供实时时钟的方案。

1 存储系统结构

SD卡存储系统结构如图1所示，C8051F500单片机是主控芯片，通过SPI接口与SD卡实现数据通信，采集的数据在FAT32文件系统管理下，以文件形式存储于SD卡中，如.txt、.doc、.dat等。

2 FAT32文件系统的实现

目前常用的文件系统有两类[2]：基于微软 Windows操作系统的 FAT16、FAT32、NTFS、ex FAT文件系统；Linux系统下的EXT2、EXT3、EXT4。Windows操作系统使用广泛，且SD卡容量比较大，因此这里选用FAT32文件系统。

图1 存储系统框图

FAT32文件系统的实现方法可以分为[3]：直接法，分析FAT32文件系统的组织结构，遵循文件生成机制，编写程序代码实现功能；移植法，移植FAT文件系统模块，调用其提供的应用接口函数，同样可以实现功能。

目前比较流行使用的FAT文件系统模块主要有[4]：周立功公司的zlg/FS、Micrium 公司的 μC/FS、Source-Forge.net网站上发布的开源项目efsl，以及日本电子爱好者设计并维护的FATFS文件系统模块。以上4个文件系统模块各有特点：zlg/FS因读写速率较慢，主要用于实验教学；Micrium公司的μC/FS一般在商业上使用；efsl及FATFS都是免费开源软件，FATFS相对成熟一些。

图2 FATFS架构图

本文采用了移植FATFS Module方法，FATFS Module专门为小型嵌入式系统而设计，采用标准的C语言编程，具备良好的硬件平台独立性，移植到8051、AVR等单片机上，只需简单修改。它还支持FAT 12、FAT 16和 FAT 32，以及多个存储介质，可以对多个文件进行读/写。FATFS整体框架如图2所示。

顶层是应用层，调用FATFS Module提供的一系列API函数（如：f＿open、f＿read、f＿write、f＿close等），用户即使不理解FAT协议，也可以利用应用接口函数轻松地读/写文件；中间层完整地实现FAT文件读/写协议，用户无需对此进行任何修改；底层是用户在移植过程中需要处理的接口，需要用户编写代码，它包括存储介质的读/写接口Disk I/O和文件创建修改时间所需的实时时钟。

嵌入式文件系统的移植可以分为3步：编写SD卡的通信函数，编写RTC时钟函数和FATFS的移植。

编写RTC时钟函数实际上就是给文件系统时钟函数DWORD get＿fattime（Void）赋值，连续提供给文件系统一个实时时钟。DWORD get＿fattime（Void）需要RTC函数支持，返回一个32位无符号整数，时钟信息包含在这32位中，如图3所示。

图3 时钟位

3 DS3231实时时钟芯片

3.1 DS3231器件

DS3231是Maxim公司生产的一款低成本、超高精度的I2C总线实时时钟芯片[5]，该器件不仅能够在一定温度范围内提供优于2 min/年的计时精度，而且省去了制造过程中晶振安装和布线校准的工作。

DS3231实时时钟（RTC），具有集成的温补晶体振荡器（TCX0）和1个32.768 k Hz的晶振，该晶振包含电池输入端，断开主电源仍然可以保持精确计时。集成晶体振荡器可提供器件的长期精确度，并减少生产的元件数。DS3231提供商级和工业级温度范围，采用16引脚、300 mil的SO封装[7]。RTC保持秒、分、时、星期、日期、月和年信息。当遇到少于31天的月份，将自动调整月末日期，包括闰年补偿。时钟可以工作于24小时模式或带AM/PM指示的12小时。提供2个可编程日历闹钟和1路可编程方波输出。地址与数据通过I2C双向串行传输。通过精密的、经过温度补偿的电压基准和比较器来监视VCC状态，检测电源故障，提供复位输出，并在必要时自动切换到备用电源。另外，RST监视引脚可作为手动按钮输入，以产生外部复位信号。

3.2 DS3231与单片机C8051F500的硬件连接

图4为高精度实时时钟芯片DS3231与主控制器C8051F500单片机的接口连接电路。

图4 C8051F500单片机与DS3231时钟芯片接口连接电路

DS3231的主要引脚功能说明：VCC用于主电源的DC引脚；INT/SQW为低电平有效中断或方波输出；RST是低电平有效复位引脚；GND为地；VBAT为备用电源输入；SDA为串行数据输入、输出；SCL为串行时钟输入。

C8051F500通过I2C总线与DS3231连接，DS3231的VCC接系统电源VCC，VBAT为备用电源输入，该引脚应该连接一个低泄漏电容去耦。INT/SQW为低电平有效中断或方波输出，该漏极开路输出要求外接上拉电阻，如果不使用，可保持开路。微控制器主要通过I2C总线向时钟芯片DS3231写时间信息，DS3231以写入的时间信息为基准精确走时。上电后，微控制器从时钟芯片读取时间信息并存入内存供系统使用，器件每隔64 s测量一次温度，通过调节晶振的负载电容，使其在指定温度达到2 ppm的精度[8]，最终达到提高时钟精度的目的。即使系统断电一段时间后重新上电，时钟芯片内的实时数据仍能被正确读出。

3.3 与嵌入式文件系统有关的特性

3.3.1 DS3231电源供电方式

DS3231有两个电源引脚VCC和VBAT[9]，分别连接电源VCC和备用电池，它们之间的切换由温度补偿电压基准（VPF）和监视VCC电平的比较器电路控制。当VCC高于VPF时，DS3231由VCC供电，当VCC低于VPF但高于VBAT时，DS3231由VCC供电；当VCC低于VPF和VBAT时，DS3231由VBAT供电；如果用一节容量为38 m Ah的电子表用纽扣锂电池作备用电池，在系统掉电时电流损耗最大为3.5μA，则至少供电时间为：

t＝38×10-3/3.5×10-6＝10 857 h

按照这个理论，可以粗略估计备用电池供电时间，能够满足实际需要。

3.3.2 DS3231采用I2C总线通信方式

单片机C8051F500通过读取时钟芯片DS3231的值来给文件系统提供日期时间，也可以写入DS3231一个任意的时间初始值，让其依据设定值开始计时，这就要求研究这两者之间的通信模式。DS3231工作于读和写两种模式。

（1）DS3231写模式

通过SDA线和SCL线来接收串行数据和时钟[10]，收到每个字节后，发送应答位，START和STOP条件作为串行数据传输的开始和结束。

软件设计流程如图5所示。首先调用START＿IIC（）函数使单片机产生开始条件，再通过SendByte（）函数，发送DS3231写地址，然后发出应答信号，接下来单片机向DS3231发送一个字地址（秒、分、时、日、月、年地址），产生应答信号后，再发送一个字节数据（秒、分、时、日、月、年数据）至DS3231设定初始化时间。产生应答信号后，调用STOP＿IIC函数来使单片机产生终止数据写入条件。

（2）DS3231读模式

接收和处理字节的方式与写模式相同，但是在这种模式下，方向位指示的传输方向是相反的。DS3231向SDA发送串行数据，并由SCL输入串行时钟。

软件设计流程如图6所示。单片机产生START条件后，通过SendByte（）函数发送DS3231写地址，产生应答信号后，发送一个字地址（秒、分、时、日、月、年地址）；产生应答信号后再通过SendByte（）函数发送DS3231读地址；产生应答信号后，通过函数RcvByte（）从DS3231读取一个字节数据（秒、分、时、日、月、年数据）来获取时间；产生应答信号后，最后调用STOP＿IIC函数来使单片机产生终止数据读取条件。

图5 DS3231写模式

图6 DS3231读模式

4 系统测试及结果

在系统测试中，C8051F500选用了22.118 400 MHz的外部晶振，存储介质选用了金士顿8 GB SDHC卡，分别在主电源供电5 V和LITHIUM CELL GR1220纽扣电池供电3 V的情况下，对1980年之后的年、月、日、时、分、秒等时间信息进行设定任意初始值，并在PC机上查看了存储在SD卡中的数据文件的创建、修改、访问等具体时间信息。

测试结果表明，不论在主电源供电还是备用纽扣电池供电情况下，存储在SDHC卡上的文件能够精确显示年、月、日、时、分、秒等时间信息。

结 语

本文提出的通过DS3231高精度时钟芯片给嵌入式文件系统提供实时时间的方案具有可行性，解决了存储在SD卡上的采集数据文件没有实时时间的问题，并且在系统掉电情况下，通过一个纽扣锂电池仍然能够长时间连续不断地提供精确的年、月、日、时、分、秒等时间信息，满足了舰舵参数采集设计中对存储在SD卡上的数据文件的创建、修改、访问等时间信息的实际要求。

[1]方洁.基于DS3231的高精度时钟接口设计[J].电子设计工程，2010（18）：134-135.

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[3]张明亮.浅谈FAT32文件系统[J].计算机与数字工程，2005（33）：56-57.

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