【技术分享】APM32F4实现用U盘记录LOG信息

只看该作者 · 2023-11-23 14:53

本帖最后由 susutata 于 2023-11-23 14:55 编辑

#申请原创# @21小跑堂

APM32F4实现用U盘记录LOG信息

# 01 前言

MCU 组成的系统在实际应用中，经常需要记录系统 LOG 信息，可以是系统不同任务执行情况的 LOG 信息，也可以是内核寄存器等便于维护调试的信息，或者是传感器的信息等。
上述的这些 LOG 信息，如果在能联网的系统中，那么直接传输回服务器即可，但如果是离线的系统，那么就需要一个存储设备来记录这些 LOG 信息。一般有以下几种方式：
- 记录到 Nor Flash 等板载存储器
- 记录到可移动的存储器，比如 U 盘等存储设备

本文提供后一种方式，即数据记录到 U 盘，这种方式方便进行现场维护，但实际应用中，可以结合 Nor Flash 加 U 盘的方式，避免读写 U 盘频率过快导致损坏。以下内容利用 APM32F407xx 的 OTG Host 和 Fatfs 文件系统，加上 RTC 功能来实现数据记录，包括以下功能。

- 按日期自动创建文件夹存放 `LOG.xls` 文件
- 按 1 秒的记录频率往 `LOG.xls` 文件写入带时间戳的数据
- 在 U 盘存储空间使用超过 90%时，删除日期最早的文件夹及 LOG 文件

# 02 外设和组件配置

下面简单介绍一下所用到的外设和组件的配置。

## OTG Host

OTG Host 的配置比较简单，配置为普通 FS 速度和 MSC Class 类即可。

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void USB_HostInitalize(void)

{

    /* USB host and class init */

    USBH_Init(&gUsbHostFS, USBH_SPEED_FS, &USBH_MSC_CLASS, USB_HostUserHandler);

}

U 盘在枚举完成后，需要获取 `LUN` 的信息，以便后续对特定 `LUN` 进行命令和数据读写等操作。

有关 MSC Class 的处理在 `usbh_msc.c/h` 文件中的 `USBH_MSC_CLASS` 结构体句柄，其包含以下处理函数:
- `USBH_MSC_ClassInitHandler`：Class 初始化函数。
- `USBH_MSC_ClassDeInitHandler`： Class 解初始化函数。
- `USBH_MSC_ClassReqHandler`： Class 特定请求处理函数，用于处理 `MASS_STORAGE_RESET`、`GET_MAX_LUN` 等特定请求。
- `USBH_MSC_CoreHandler`： Class 内核处理函数，包括 BOT 命令、SCSI 命令的处理。
- `USBH_MSC_SOFHandler`：SOF 事件处理函数。

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/* MSC class handler */

USBH_CLASS_T USBH_MSC_CLASS =

{

    "Class MSC",

    USBH_CLASS_MSC,

    NULL,

    USBH_MSC_ClassInitHandler,

    USBH_MSC_ClassDeInitHandler,

    USBH_MSC_ClassReqHandler,

    USBH_MSC_CoreHandler,

    USBH_MSC_SOFHandler,

};

下面的 `USBH_MSC_Handler` 状态机由 `USBH_MSC_CoreHandler` 函数调用，包含常见的 BOT 命令、SCSI 命令的处理。

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/* USB host MSC state handler function */

USBH_MscStateHandler_T USBH_MSC_Handler[] =

{

    USBH_MSC_InitHandler,

    USBH_MSC_IdleHandler,

    USBH_MSC_InquiryHandler,

    USBH_MSC_TestUnitReadyHandler,

    USBH_MSC_RequestSenseHandler,

    USBH_MSC_ReadCapacityHandler,

    USBH_MSC_ErrorUnrecoveredHandler,

    USBH_MSC_ReadHandler,

    USBH_MSC_WriteHandler,

    USBH_MSC_RWRequestSenseHandler,

};

BOT SCSI 命令处理。

OTG Host 部分还需要了解以下 API 函数，因为后续需要应用到 FatFs 文件系统中。
- `USBH_MSC_ReadDevInfo()`：用于获取所枚举成功的 `MSC` 设备信息，比如 `LUN` 逻辑单元是否准备完毕、多媒体设备是否存在、扇区数、block 数等。
- `USBH_MSC_DevStatus()`：获取 `LUN` 是否准备就绪的状态。
- `USBH_MSC_ReadDevWP()`：获取 `LUN` 写保护状态。
- `USBH_MSC_DevRead()`：读取 `LUN` 数据。
- `USBH_MSC_DevWrite()`：往 `LUN` 写入数据。

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USBH_STA_T USBH_MSC_ReadDevInfo(USBH_INFO_T* usbInfo, uint8_t lun, USBH_MSC_STORAGE_INFO_T* device);

uint8_t USBH_MSC_DevStatus(USBH_INFO_T* usbInfo, uint8_t lun);

uint8_t USBH_MSC_ReadDevWP(USBH_INFO_T* usbInfo, uint8_t lun);

USBH_STA_T USBH_MSC_DevRead(USBH_INFO_T* usbInfo, uint8_t lun, uint32_t address, \

                            uint8_t* buffer, uint16_t cnt);

USBH_STA_T USBH_MSC_DevWrite(USBH_INFO_T* usbInfo, uint8_t lun, uint32_t address, \

                             uint8_t* buffer, uint16_t cnt);

## RTC

APM32F4xx 的 RTC 是一个独立的 BCD 定时计数器，提供完整的日历时钟功能。不像 F1 系列的 RTC 只是个计数器，需要自行设定元年，然后换算日期和时间。RTC 的配置比较简单，配置时钟源为 LSE，24 小时制即可，然后利用 RTC 的备份寄存器来判断是否需要配置日历和时间。

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void RTC_CalendarConfig(void)

{

    RTC_DateTypeDef Date_Structure;

    RTC_TimeTypeDef Time_Structure;



    /* Configure the Date */

    Date_Structure.Year = 0x23;

    Date_Structure.Month = RTC_MONTH_NOVEMBER;

    Date_Structure.Date = 0x22;

    Date_Structure.WeekDay = RTC_WEEKDAY_MONDAY;



    if(DAL_RTC_SetDate(&hrtc,&Date_Structure,RTC_FORMAT_BCD) != DAL_OK)

    {

        DAL_ErrorHandler(); 

    }



    /* Configure the Time */

    Time_Structure.Hours = 0x00;

    Time_Structure.Minutes = 0x00;

    Time_Structure.Seconds = 0x00;

    Time_Structure.TimeFormat = RTC_HOURFORMAT12_AM;

    Time_Structure.DayLightSaving = RTC_DAYLIGHTSAVING_NONE;

    Time_Structure.StoreOperation = RTC_STOREOPERATION_RESET;



    if(DAL_RTC_SetTime(&hrtc,&Time_Structure,RTC_FORMAT_BCD) != DAL_OK)

    {

        DAL_ErrorHandler(); 

    }



    DAL_RTCEx_BKUPWrite(&hrtc,RTC_BKP_DR0, RTC_BKP_VALUE);

}

## TMR

APM32F4xx 系列的 RTC 没有秒中断，这里我们实现一秒记录一次数据到 U 盘，则开启一个定时为 1 秒的定时器中断来实现。

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void DAL_TMR3_Config(void)

{

    htmr3.Instance = TMR3;



    htmr3.Init.Period = 10000 - 1;

    htmr3.Init.Prescaler = 8400 - 1;

    htmr3.Init.ClockDivision = 0;

    htmr3.Init.CounterMode = TMR_COUNTERMODE_UP;

    htmr3.Init.AutoReloadPreload = TMR_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;

    if(DAL_TMR_Base_Init(&htmr3) != DAL_OK)

    {

       DAL_ErrorHandler();

    }

}

## FatFs

使用 FatFs 文件系统前，要重新实现 `diskio.c` 及配置 `ffconf.h` 文件。

其中在 `diskio.c` 文件中，要利用 OTG Host 章节最后提到的 `MSC Class` 的 API ，重新实现以下函数。
`DSTATUS disk_status()`
`DSTATUS disk_initialize()`
`DRESULT disk_read()`
`DRESULT disk_write()
`DRESULT disk_ioctl()`

另外，简单介绍下后面应用代码中用到的几个 API，详细的使用方法，大家可以参考 FatFs 官方文档。

### f_opendir

该 API 用于打开一个已存在的目录文件夹。

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FRESULT f_opendir (

  DIR* dp,           /* [OUT] Pointer to the directory object structure */

  const TCHAR* path  /* [IN] Directory name */

);

### f_readdir

该 API 用于读取目录项，后续用于筛选所有的有效目录。

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FRESULT f_readdir (

  DIR* dp,      /* [IN] Directory object */

  FILINFO* fno  /* [OUT] File information structure */

);

### f_mkdir

该 API 用于创建一个新的目录文件夹。

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FRESULT f_mkdir (

  const TCHAR* path /* [IN] Directory name */

);

### f_open

该 API 用于打开一个文件。要注意的是参数 `mode flags` 需要使用 `FA_OPEN_ALWAYS`，避免文件内容被覆盖。

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FRESULT f_open (

  FIL* fp,           /* [OUT] Pointer to the file object structure */

  const TCHAR* path, /* [IN] File name */

  BYTE mode          /* [IN] Mode flags */

);

### f_unlink

该 API 用于删除文件或子目录。

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FRESULT f_unlink (

  const TCHAR* path  /* [IN] Object name */

);

### f_close

该 API 用于关闭一个文件。

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FRESULT f_close (

  FIL* fp     /* [IN] Pointer to the file object */

);

### f_lseek

该 API 用于移动被打开的文件对象的文件读或写指针，后面应用时，需要用来将写指针移动到文件末，以添加新的 LOG 信息。

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FRESULT f_lseek (

  FIL*    fp,  /* [IN] File object */

  FSIZE_t ofs  /* [IN] Offset of file read/write pointer to be set */

);

### f_printf

该 API 用于将格式化的字符串写入文件。使用该 API，我们可以方便的将各种数据类型，转换为字符串，再写入文件中。

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int f_printf (

  FIL* fp,          /* [IN] File object */

  const TCHAR* fmt, /* [IN] Format stirng */

  ...

);

### f_getfree

该 API 用于获取 volume 中的剩余空间。使用该 API，我们可以知道 U 盘剩余空间是多少，从而对老旧的 LOG 数据进行处理。

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FRESULT f_getfree (

  const TCHAR* path,  /* [IN] Logical drive number */

  DWORD* nclst,       /* [OUT] Number of free clusters */

  FATFS** fatfs       /* [OUT] Corresponding filesystem object */

);

# 03 实现数据记录

## 定义参数结构体

定义 `rtcInfo` 和 `diskInfo` 来记录应用过程中的信息。

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/* 记录 RTC 时间信息 */

typedef struct

{

    uint16_t year;

    uint8_t month;

    uint8_t day;

    uint8_t hour;

    uint8_t minute;

    uint8_t second;

} RTC_TIME_INFO_T;



/* 记录 U 盘和文件系统信息 */

typedef struct

{

    char dirPath[512];

    uint16_t dirNum;

    uint32_t totSect;

    uint32_t freSect;

    double usedPercent;

} DISK_INFO_T;



RTC_TIME_INFO_T rtcInfo;

DISK_INFO_T diskInfo;

## 获取时间参数

在 TMR3 回调函数中获取 RTC 当前时间，并使能数据更新标志。

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void RTC_Application(void)

{

    char strBuf[50];



    RTC_GetCalendar(&rtcInfo.year, &rtcInfo.month, &rtcInfo.day, &rtcInfo.hour, &rtcInfo.minute, &rtcInfo.second);



    /* Display time */

    sprintf(strBuf, "20%02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d", rtcInfo.year, rtcInfo.month, rtcInfo.day, rtcInfo.hour, rtcInfo.minute, rtcInfo.second);

    DAL_LOGI(tag, "%s", strBuf);

}



void DAL_TMR_PeriodElapsedCallback(TMR_HandleTypeDef *htmr)

{

    if(htmr->Instance == TMR3)

    {

        RTC_Application();

        dataUpdate = 1;

    }

}

## 记录数据

### 提供日期和时间给 FatFs

FatFs 系统的文件和目录的日期、时间信息由 `get_fattime` 函数提供。该函数为 `__weak` 定义，我们在应用文件中重新实现即可，这里要注意 APM32F4xx 的 RTC 日历的起始年份和 FatFs 的不一致，做好偏移即可。

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DWORD get_fattime(void)

{

    return (DWORD)(rtcInfo.year + 20) << 25 |

           (DWORD)rtcInfo.month << 21 |

           (DWORD)rtcInfo.day << 16 |

           (DWORD)rtcInfo.hour << 11 |

           (DWORD)rtcInfo.minute << 5 |

           (DWORD)rtcInfo.second >> 1;

}

### 创建和写数据到 Excel 文件

下面这个函数中，首先创建一个目录，然后创建或打开一个 `.xls` 文件，接着打开文件并用 `f_lseek` 函数移动写指针到文件末，最后用 ` f_printf ` 函数写入格式化后的字符串数据。

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void FATFS_WriteXlsFile(FIL* file, const TCHAR *path, char *dir, char *fileName, char* logInfo, char* timeStamp)

{

    FRESULT status;

    char filePath[32];

    char fileDir[20];

    

    /* Write file */

    sprintf(fileDir, "%s", dir);

    status = f_mkdir(fileDir);

    if (status == FR_OK)

    {

        DAL_LOGI(tag, ">>> Create direction success");

    }

    

    /* Open or create file */

    sprintf(filePath, "%s%s%c%s.xls", path, fileDir, '/', fileName);



    status = f_open(file, filePath, FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE);

    if (status == FR_OK)

    {

        DAL_LOGI(tag, ">>> Open or create %s %s file success", fileDir, fileName);

        

        /* Move the file pointer to the end */

        f_lseek(file, f_size(file));

        

        f_printf(file, "%s + %s + %s\n", fileName, logInfo, timeStamp);

    }

    else

    {

        DAL_LOGE(tag, ">>> Open or create file fail, status is %d", status);

    }



    /* Close file */

    f_close(file);

}

### 获取 U 盘剩余空间信息

Volume 的剩余空间，从之前 FatFs 章节中知道，可以用 `f_getfree` 函数来获取 U 盘剩余空间信息，并转换为使用率。

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void MSC_Application(void)

{

        ...

        

        res = f_getfree(USBHPath, &freClust, &fs);

        diskInfo.totSect = (fs->n_fatent - 2) * fs->csize;  

        diskInfo.totSect /= 2;

        

        diskInfo.freSect = freClust * fs->csize;

        diskInfo.freSect /= 2;

        

        diskInfo.usedPercent = (1.0 - (double)diskInfo.freSect / diskInfo.totSect) * 100.0;

        

        ...

}

### 删除旧文件夹

以下代码，使用 `FATFS_ViewRootDir()` 函数获取目录文件夹信息，并按日期进行排序输出。最后由 `sscanf()` 来找到第一个目录，然后删除目录和文件。

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void MSC_Application(void)

{

        ...

        

        /* Get dir information */

        DAL_LOGI(tag, "------> Get dir information");

        FATFS_ViewRootDir(&USBHFatFS, USBHPath, diskInfo.dirPath, &diskInfo.dirNum);

        

        DAL_LOGI(tag, ">>> dir path :%s", diskInfo.dirPath);

        DAL_LOGI(tag, ">>> dir number :%d", diskInfo.dirNum);

        

        /* Used percent > 90% and dir number > 1 */

        if((diskInfo.usedPercent - DISK_SPACE_MAX_PERCENT) > EPS && (diskInfo.dirNum > 1))

        {

                DAL_LOGW(tag, "<<< Disk space is not enough");

        

                /* Delete first dir */

                sscanf(diskInfo.dirPath, "/%8[^/]", delectDirName);

        

                FATFS_DelectDir(USBHPath, delectDirName);

        }

        ...

}

# 04 下载验证

经过之前几节的组件的配置，实现数据记录的 API 函数后，最后下载到 APM32F4xx 开发板看下应用的过程。

从下面 LOG 信息可以看到，插入 U 盘后，从 UART1 输出了 `MSC device is ready` 的 LOG 信息，这表明开发板已完成 U 盘的枚举识别。

同时可以看到 LOG 中带有时间戳信息，证明 RTC 已经开发工作，并按每秒打印一次的频率输出时间戳 LOG 信息。

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...

[main] 2023-11-22 00:00:37

[main] 2023-11-22 00:00:38

[main] 2023-11-22 00:00:39

[main] 2023-11-22 00:00:40

USB Device Reset Completed

USB device speed is FS

PID: 0x1234

VID: 0x048D

Endpoint 0 max packet size if 64

USB device address: 1

Manufacturer: USB

Product: Disk 2.0k

SerialNumber: 9207156342331724518

USB device enumration ok

This is a Mass Storage device

Use 2 endpoint:

Endpoint 0x01: max packet size is 64 bytes

Endpoint 0x82: max packet size is 64 bytes

USB device has only one configuration

Set to default configuration

Inquiry Revision :2.00

Inquiry Product  :ProductCode

Inquiry Vendor   :VendorCo

MSC device is ready

MSC device capacity     : 1006390784 bytes

MSC device block number : 1965607

MSC device block size   : 512

Class is ready

紧接着，就会进行 LOG 信息的记录，从下面 LOG 可以看到，FatFs 的操作过程。首先在 U 盘加载文件系统，然后创建或打开以 `20231122` 日期命名的文件夹并写入数据。接着获取 U 盘剩余空间，获取目录信息，最后卸载文件系统。

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[main] 2023-11-22 00:01:12

[main] ------> Update information

[main] ------> Mount U disk file system

[main] ------> Write xls file

[fatfs] >>> Open or create 20231122 LOG file success

[main] ------> Get volume information

[main] >>> (964657 / 966404) KiB Used 0.18 %

[main] ------> Get dir information

[fatfs] >>> View Directory

[fatfs] >>> 20231122, (0x10)

[fatfs] >>> 20231031, (0x10)

[fatfs] >>> 20231030, (0x10)

[fatfs] >>> 20231101, (0x10)

[fatfs] >>> Sort Directory

[main] >>> dir path :/20231030/20231031/20231101/20231122

[main] >>> dir number :4

[main] ------> Unmount U disk file system

[main] >>> U disk file system unmounted ok