SD卡在生理信号数据采集中的应用

摘要：基于DSP处理器TMS320F2812与SD卡的接口，设计了一种便携式的生理信号数据采集系统，用于大容量多参数人体生理参数的采集。采用TMS320F2812作为主控芯片，以SD卡作为主要存储介质实现了数据的实时采集与存储。按照FAT32文件系统规范设计了一种优化的文件系统，可以快速地把实时采集的数据以文本的形式保存在SD卡中。实验表明，该系统在实际测量中操作简单、携带方便，可用于人体生理参数的实时监测。
关键词：DSP处理器；SD卡；FAT32文件系统；生理信号

0 引言
    生理信号是表征人体生命特征的基本参数，如血压、脉率、体温等都是人体重要的生理信号，这些信号中都包含着有用的病理信息。通过分析这些信号可以诊断体内各部位的疾病。多参数生理信号数据采集要求数据存储量大，使用无线、USB与上位机通信存储数据可以解决这一需求。但是，这些方案都需要上位机来存储数据不利于便携式操作。
    SD卡(Secure Digital Card)具有体积小、重量轻、容量大、数据传输率快、极大的移动灵活性以及很好的安全性等优点，非常适合应用在长时间存储大量数据的测量系统中。因此采用SD卡作为生理信号数据采集系统的存储介质是很好的解决方案。
    本文设计了一种便携式的生理信号数据采集系统。硬件上设计了电源管理模块，解决了系统中各个模块不同电压的需求。同时采用处理速度很快的DSP处理器TMS320F2812作为主控芯片，使采集数据和处理数据的性能更加优越。软件上设计了优化的FAT32文件系统，使大容量SD卡的写入数据速度更快。

1 总体设计
    本文设计的采集系统主要由电源管理模块、SD卡、TMS320F2812等部分组成，充分体现了便携化设计。系统设计框图如图1所示。系统采用干电池作为电源，并通过电源管理模块分别给系统各个模块供电。TMS320F2812利用片内的12位A／D对传感器采集的模拟信号进行采样和变换处理，结果保存在SD卡中。大容量的SD卡中嵌有FAT32文件系统可以把数据保存为文本格式，便于在上位机上进行数据处理和波形分析。

2 DSP与SD卡的接口电路设计
    根据SD卡的通信协议，主控制器和SD卡有两种通信模式：SD模式和SPI模式。前者速度快(4位并行数据总线)，使用所有的信号线；后者速度慢(数据以单线传输)，但是简单易用、兼容性好、便于和主控制器连接通信。SPI模式的传输速度可以满足本文设计的系统要求，因此，本设计采用SPI模式。表1是SD卡在SPI模式下的各引脚定义。
    SD卡与DSP的4个I／O口相连。SD卡的CS管脚连接到DSP的SPISTEA管脚，用作普通I／O功能，其高低电平控制SD卡的使能与否；DI管脚连接到SPISIMOA管脚，DSP通过这个管脚向SD卡发送数据和命令；DO管脚连接到SPISOMIA管脚，DSP通过这个管脚读取SD卡内的数据；SCLK管脚连接到SPICLKA管脚，DSP通过这个管脚向SD卡发送时钟信号。具体连接电路如图2所示。

3 SD卡的软件设计
    SD卡工作在SPI模式下，主控制器向SD卡发送命令、数据并接收SD卡的响应。被使能的SD卡总是对来自主控制器的命令有所响应，当SD卡出现错误时，会返回一个出错响应来代替期望的数据。
3．1 SD卡的初始化
    对SD卡进行读写操作之前，首先应该初始化SD卡。SD卡初始化流程如图3所示。为了保持SD卡的兼容性，设置SPI的时钟频率在100～400 kHz范围内。SD卡上电后，主机必须先向SD卡发送至少74个时钟周期，同时CS处于低电平，以完成SD卡上电过程。SD卡上电后默认进入SD模式，在此模式下向SD卡发送复位命令(CMD0)并保持CS为低电平，如果收到应答信号为01H，则SD卡进入SPI模式。

    SD卡进入SPI模式后，主机即可不断地向SD卡发送命令(CMD55+ACMD41)并读取应答信号，如果应答信号为00H，则表明SD卡完成初始化。初始化完成后，需要把SPI时钟频率设置为高速模式，在这种模式下才能保证SD卡的高速读写。[!--empirenews.page--]
3．2 SD卡的读写操作
    SD卡支持单块写操作(CMD24)和多块写操作(CMD25)。图4为单块写操作流程图，数据长度为512 B。执行单块写操作时，主机发送写数据块命令(CMD24)，等待SD卡的应答信号为00H后，然后发送数据起始标志位0xFE，接着发送512 B数据和2 B的(2RC校验。当SD卡的应答信号为0x05时，即表明SD卡已经正确地写入了数据。在写SD卡时，SD卡的输出口为低电平，当输出口变为高电平时表明写操作完成。

    SD卡同样支持单块(CMD17)和多块(CMD18)读操作。单块读操作的数据长度也是512 B，其操作流程与写操作类似。操作时，首先向SD卡发送读数据块命令(CMD17)，当接收应答信号0xFE后，即可接收512 B数据块和2 B的CRC校验。

4 FAT32文件系统设计
4．1 FAT32文件系统的结构
    为了更直观地查看SD卡中的数据，并与计算机进行数据交互式操作。本文采用了FAT32文件系统，该文件系统不仅实现了对大容量SD卡的文件操作，而且读写文件的速度很快。
    FAT32文件系统在SD卡上的基本结构包含以下几个部分：分区引导记录DBR(Dos Boot Record)、文件分配表FAT(File Allocation Table)数据区。
    分区引导记录DBR，通常包括跳转指令、厂家标识和DOS版本号、BPB(BIOS Parameter Block)和。BIOS引导程序。其中BPB记录着每个扇区字节数、每簇扇区数、总扇区数等SD卡的基本信息，这些信息是正确操作SD卡的基础。
    FAT32文件系统有两个文件分配表FAT1和FAT2。FAT2是FAT1的备份，记录了簇与簇之间数据的链接关系。
    FAT32与FAT12、FAT16不同的是，它没有专门的根目录区，根目录区与数据区合并在一起。
4．2 FAT32文件系统的实现
4．2．1 FAT32文件系统的初始化
    对SD卡的正确操作，需要初始化该卡的信息结构体变量如每个扇区字节数、每簇扇区数、FAT表数目等。

    初始化流程如图5所示。首先读卡的物理扇区0，得到引导扇区的偏移地址。正常的话，该扇区最后两个字节为55AA。然后读引导扇区DBR的具体内容，得到文件系统的基本信息，初始化SD卡的信息结构体变量。
4．2．2 FAT32文件系统的相关操作
    在本设计中，为了提高SD卡的写入速度，对FAT32文件系统进行优化。FAT32文件系统在保留区增加了一个FSINFO扇区，用以记录文件系统中空闲簇的数量以及不可用簇的簇号等信息。在执行写SD卡操作时，可以通过读取该扇区的内容快速地定位到下一个空闲簇，然后进行数据的写入。优化后的文件系统主要包括以下操作：文件的创建与文件的读写操作。
    创建新文件时，首先判断该文件是否存在。如果存在，则打开该文件读取该文件的FAT表项，获取开始簇的地址、文件所占的字节数及第一个扇区的地址等信息；如果文件不存在，则查询空闲簇并设置起始簇号，同时根据这个起始簇号创建簇链，然后读取FDT(File Directory Table)表项查找空闲的32 B FDT，以存放文件名、扩展名、属性值等信息。
    读文件时，根据文件名查找FDT表项并读取文件的起始簇号，根据起始簇号找到第一个簇的内容，并逐个扇区读取。同时，根据簇链就能查找到第2个簇，然后读取簇里的内容。按照此方法，直到读取所有的数据。写文件的流程和读文件类似，不同的是写满一个簇时要查找空闲的簇并添加到簇链中，同时更新FAT1，FAT2和FSINFO的内容。

5 结语
    本文设计了一种基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统，详细介绍了DSP与SD卡的硬件接口电路设计以及SD卡软件设计流程。通过对人体手指体表温度和湿度的实时测量，该系统可以实现对16路模拟信号的采集、处理、存储等一系列操作。SD卡存储容量为2 GB，最高读写速度可以达到1．2．MB／s，完全满足在高速AD采集系统中的应用。随着人体监测仪器的智能化、小型化发展，以及大容量SD卡的高性价比优点，SD卡在生理信号采集中的应用前景广阔。