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SD卡英文全稱為Secure Digital Memory Card，其以Flash Memory為存儲體，具備體積 小、容量大、功耗低、可擦寫以及非易失性等特點，在需要長時間地采集、記錄海量數據時， 以SD卡作為存儲媒質是一種很好的選擇。 1 系統硬件設計 1.1 SPI總線 SPI是一種串行總線接口，主要通過三根線進行數據傳輸：同步時鐘線SCK，主/從機輸 出線MISO、主/從機輸入線MOSI，還有一條低電平有效的從機片選線CS。SPI系統的片選信號 以及同步時鐘脈沖由主機提供。SPI模式通過四條線就可以完成所有的數據交換，傳輸協議 簡單，采用SPI模式對SD卡進行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設計。 SPI消息由指令、回應和數據塊組成，所有的操作均由主設備控制。 SPI接口有0、1、2 和 3共四種操作模式。SPI操作模式決定了設備接收和發送數據時的時鐘相位和極性，即決定了 時鐘信號的上升和下降沿與數據流動方向之間的關系，如圖1所示。本設計采用模式3。 1.2 硬件電路設計 MCU采用的是ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機AT89S51，內含4K字節的可 反復擦寫的ROM存儲器和128字節的RAM存儲器。由于SD卡的數據寫入是以塊為單位，每塊為 512字節，所以在單片機最小系統上增加一片RAM。本系統中RAM選用存儲器芯片AT24C64，容 量為64K位。 對于不帶SPI串行總線接口的單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時 鐘、數據輸入和數據輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。對于 在SCK的上升沿輸入（接收）數據和在下降沿輸出（發送）數據的器件，一般應將其串行時 鐘輸出口P1.1的初始狀態設置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK 時鐘的同時，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數據至單片機的P1.3口（模擬MCU的MISO 線），此后再置P1.1為1，使單片機從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數據（先為高位）至 串行接口芯片。至此，模擬1位數據輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數 據的輸入輸出……，依此循環8次，即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數據的操作。對于在SCK 的下降沿輸入數據和上升沿輸出數據的器件，則應取串行時鐘輸出的初始狀態為0，即在接 口芯片允許時，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數據（MCU接收1位數據），之后再 置時鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數據（MCU發送1位數據），從而完成1位數據的傳送。 為解決電平匹配問題，在MCU和SD卡數據傳輸之間加了光電耦合器，其抗干擾性能和隔 離性能比較好，由它構成的邏輯電路更可靠。硬件電路連接如圖2所示。 2 系統軟件設計 2.1 SD卡初始化 在SD卡上電復位后，SD卡控制器在向SD卡發送任何命令之前，應向SD卡發送至少74個時 鐘周期，以等待SD卡完成上電復位過程，而且此時控制器應將片選信號線置高。在上電復位 完成后，將片選信號線CS置低，即選中SD卡，且發送軟件復位指令(CMD0)，SD卡即可進入SPI 模式，并且處于空閑狀態。若要對SD卡實現讀寫操作，單片機應持續發送激活指令CMD1，直 到收到SD卡正確的響應數據0x00，表明SD卡已經退出空閑狀態，可以對SD卡寄存器進行讀／ 寫以及實現數據的傳輸操作。 2.2 FAT32文件系統 FAT32文件系統突破了磁盤管理空間2G的界限，能夠管理更大的磁盤空間。SD卡上的 FAT32文件系統的結構包含分區引導記錄、文件分配表、文件目錄表以及數據區4個部分。 分區引導記錄保存著與文件分配表系統有關的基本輸入、輸出系統參數分配表(biosparameter block，BPB)。它主要記錄文件分配表各個部分的起始扇區以及占用扇區的數目， 根目錄大小和簇的大小等重要信息。 在分區引導記錄之后是FAT（File Allocation Table，文件分配表）區。FAT32的文件 系統中有兩份完全相同的文件分配表FATl和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BIOS參數 記錄塊中查得。 文件分配表的作用是記錄磁盤上簇的分配情況。一個文件一般需要占用很多 簇。同一個文件不一定會完整地存放在一個連續存儲空間內，而是分成若干段，像鏈子一樣 的存放。在文件名記錄中，首先指向文件存儲的鏈頭所在文件分配表簇，而該簇的文件分配 表存放下一個鏈子的文件分配表簇值，如果是文件結尾，使用一個文件結束標志，表示到達 鏈尾，這樣就標識了文件的鏈式存儲，FAT表就是記錄文件存儲中簇與簇之間連接信息的。 緊接在FAT表之后的是文件目錄表FDT，占32個扇區，每個扇區可以容納16個登記項，每 個登記項的長度是32字節。文件目錄表記錄文件的名稱，通過目錄表查找已存在的文件名， 從而找到指定的文件進行操作。每個文件對應一個描述其屬性的結構，定義如表1。 文件目錄項結構實現如下： Struc direntry { Unsigned char fName; Unsigned char fExtension; Unsigned char fAttributes; Unsigned char fLowerCase; Unsigned char fCHundredth; Unsigned char fCTime; Unsigned char fCDate; Unsigned char fADate; Unsigned char fHighClust; Unsigned char fMTime; Unsigned char fMDate; Unsigned char fLowCluster; Unsigned char fFileSize; } 文件目錄表之后就是數據區DATA，用來存放文件數據，占用大部分的磁盤空間。數據的 讀寫以扇區為單位，一個簇所包含的扇區數由BPB參數來決定，通過根目錄找到對應的文件 名，格式化完成或進行寫操作時，就要新建對應文件名的文件分配表區和根目錄區，通過文 件分配表區中的保存的簇號，完成對應的數據讀寫，完成一個簇的操作后，根據文件分配表 的鏈式結構，找到文件的待操作的下一個簇的簇號，進行相應的操作，直到文件結束。 2.3 數據塊的寫操作 完成SD卡的初始化之后即可進行它的讀寫操作。SD卡的讀寫操作都是通過發送SD卡命令 完成的。SPI總線模式支持單塊（CMD24）和多塊（CMD25）寫操作。單塊寫操作的數據塊長 度只能是512字節。單塊寫入時，命令為CMD24，當應答為0時說明可以寫入數據。SD卡對每 個發送給自己的數據塊都通過一個應答命令確認，它為1個字節長，當低5位為00101時，表 明數據塊被正確寫入SD卡。多塊寫是單塊連續寫的循環操作，只是寫單塊和寫多塊開始時的 令牌包有所不同，多塊操作是從指定位置開始寫下去，直到SD卡收到一個停止命令CMD12時 才停止。多塊數據寫時序如圖3所示。 3 結束語 通過對SPI模式下SD卡寫操作和文件系統的研究，實現了單片機對SD卡FAT32文件的操 作，包括文件的創建、寫操作等。該課題研究在數據采集系統方面有著廣泛的應用前景，項 目實施以來直接經濟效益20萬元。本文創新點：為數據采集系統提供了一種非易失性存儲的 解決方案，采集到的大量數據會以標準數據文件的格式記錄到SD卡上。 |
