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前言
長(zhǎng)期以來(lái)，以Flash Memory為存儲(chǔ)體的SD卡因具備體積小、功耗低、可擦寫(xiě)以及非易失性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。特別是近年來(lái)，隨著價(jià)格不斷下降且存儲(chǔ)容量不斷提高，它的應(yīng)用范圍日益增廣。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)時(shí)，選擇SD卡作為存儲(chǔ)媒質(zhì)是開(kāi)發(fā)者們一個(gè)很好的選擇。在電能監(jiān)測(cè)以及無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中，要連續(xù)記錄大量的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率以及時(shí)間等參數(shù)，當(dāng)單片機(jī)采集到這些數(shù)據(jù)時(shí)可以利用SD作為存儲(chǔ)媒質(zhì)。本文主要介紹了SD卡在電能監(jiān)測(cè)及無(wú)功補(bǔ)償數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。
設(shè)計(jì)方案
應(yīng)用AT89C52讀寫(xiě)SD卡有兩點(diǎn)需要注意。首先，需要尋找一個(gè)實(shí)現(xiàn)AT89C52單片機(jī)與SD卡通訊的解決方案；其次，SD卡所能接受的邏輯電平與AT89C52提供的邏輯電平不匹配，需要解決電平匹配問(wèn)題。
通訊模式
SD卡有兩個(gè)可選的通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標(biāo)準(zhǔn)的讀寫(xiě)方式，但是在選用SD模式時(shí)，往往需要選擇帶有SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入額外的SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫(xiě)。然而，AT89C52單片機(jī)沒(méi)有集成SD卡控制器接口，若選用SD模式通訊就無(wú)形中增加了產(chǎn)品的硬件成本。在SD卡數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)間要求不是很嚴(yán)格的情況下，選用SPI模式可以說(shuō)是一種最佳的解決方案。因?yàn)樵赟PI模式下，通過(guò)四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前市場(chǎng)上很多MCU都集成有現(xiàn)成的SPI接口電路，采用SPI模式對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。
雖然AT89C52不帶SD卡硬件控制器，也沒(méi)有現(xiàn)成的SPI接口模塊，但是可以用軟件模擬出SPI總線時(shí)序。本文用SPI總線模式讀寫(xiě)SD卡。
電平匹配
SD卡的邏輯電平相當(dāng)于3.3V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而控制芯片AT89C52的邏輯電平為5V CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)。因此，它們之間不能直接相連，否則會(huì)有燒毀SD卡的可能。出于對(duì)安全工作的考慮，有必要解決電平匹配問(wèn)題。
要解決這一問(wèn)題，最根本的就是解決邏輯器件接口的電平兼容問(wèn)題，原則主要有兩條：一為輸出電平器件輸出高電平的最小電壓值，應(yīng)該大于接收電平器件識(shí)別為高電平的最低電壓值；另一條為輸出電平器件輸出低電平的最大電壓值，應(yīng)該小于接收電平器件識(shí)別為低電平的最高電壓值。
一般來(lái)說(shuō)，通用的電平轉(zhuǎn)換方案是采用類似SN74ALVC4245的專用電平轉(zhuǎn)換芯片，這類芯片不僅可以用作升壓和降壓，而且允許兩邊電源不同步。但是，這個(gè)方案代價(jià)相對(duì)昂貴，而且一般的專用電平轉(zhuǎn)換芯片都是同時(shí)轉(zhuǎn)換8路、16路或者更多路數(shù)的電平，相對(duì)本系統(tǒng)僅僅需要轉(zhuǎn)換3路來(lái)說(shuō)是一種資源的浪費(fèi)。
考慮到SD卡在SPI協(xié)議的工作模式下，通訊都是單向的，于是在單片機(jī)向SD卡傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用晶體管加上拉電阻法的方案，基本電路如圖1所示。而在SD卡向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以直接連接，因?yàn)樗鼈冎g的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。
這個(gè)方案需要雙電源供電（一個(gè)5V電源、一個(gè)3.3V電源供電），3.3V電源可以用AMS1117穩(wěn)壓管從5V電源穩(wěn)壓獲取。
硬件接口設(shè)計(jì)
SD卡提供9Pin的引腳接口便于外圍電路對(duì)其進(jìn)行操作，9Pin的引腳隨工作模式的不同有所差異。在SPI模式下，引腳1（DAT3）作為SPI片選線CS用，引腳2（CMD）用作SPI總線的數(shù)據(jù)輸出線MOSI，而引腳7（DAT0）為數(shù)據(jù)輸入線MISO，引腳5用作時(shí)鐘線（CLK）。除電源和地，保留引腳可懸空。
本文中控制SD卡的MCU是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C52，內(nèi)含8K字節(jié)的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于AT89C52只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而SD卡的數(shù)據(jù)寫(xiě)入是以塊為單位，每塊為512字節(jié)，所以需要在單片機(jī)最小系統(tǒng)上增加一片RAM。本系統(tǒng)中RAM選用存儲(chǔ)器芯片HM62256，容量為32K。對(duì)RAM進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，鎖存器把低8位地址鎖存，與P2口的8位地址數(shù)據(jù)構(gòu)成16位地址空間，從而可使SD卡一次讀寫(xiě)512字節(jié)的塊操作。系統(tǒng)硬件圖如圖2所示。
軟件設(shè)計(jì)
SPI工作模式
SD卡在上電初期自動(dòng)進(jìn)入SD總線模式，在此模式下向SD卡發(fā)送復(fù)位命令CMD0。如果SD卡在接收復(fù)位命令過(guò)程中CS低電平有效，則進(jìn)入SPI模式，否則工作在SD總線模式。
對(duì)于不帶SPI串行總線接口的AT89C52單片機(jī)來(lái)說(shuō)，用軟件來(lái)模擬SPI總線操作的具體做法是：將P1.5口（模擬CLK線）的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接收后再置P1.5為0。這樣，MCU在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至AT89C52單片機(jī)的P1.7（模擬MISO線），此后再置P1.5為1，使單片機(jī)從P1.6（模擬MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便完成。此后再置P1.5為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過(guò)SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。
本文的實(shí)現(xiàn)程序把SPI總線讀寫(xiě)功能集成在一起，傳遞的val變量既是向SPI寫(xiě)的數(shù)據(jù)，也是從SPI讀取的數(shù)據(jù)。具體程序如下：（程序是在Keil uVision2的編譯環(huán)境下編寫(xiě)）
sbit CS=P3^5;
sbit CLK= P1^5;
sbit DataI=P1^7;
sbit DataO=P1^6;
#define SD_Disable() CS=1 //片選關(guān)
#define SD_Enable() CS=0 //片選開(kāi)
unsigned char SPI_TransferByte(unsigned char val)
{
unsigned char BitCounter;
for(BitCounter=8; BiCounter!=0; BitCounter--)
{ CLK=0;
DataI=0; // write
if(val&0x80) DataI=1;
val<<=1;
CLK=1;
if(DataO)val|=1; // read
}
CLK=0;
return val;
}
SD卡的初始化
對(duì)SD卡進(jìn)行操作首先要對(duì)SD卡進(jìn)行初始化，初始化的過(guò)程中設(shè)置SD卡工作在SPI模式，其流程圖如圖3所示。
在復(fù)位成功之后可以通過(guò)CMD55和ACMD41判斷當(dāng)前電壓是否在工作范圍內(nèi)。主機(jī)還可以繼續(xù)通過(guò)CMD10讀取SD卡的CID寄存器，通過(guò)CMD16設(shè)置數(shù)據(jù)Block長(zhǎng)度，通過(guò)CMD9讀取卡的CSD寄存器。從CSD寄存器中，主機(jī)可獲知卡容量，支持的命令集等重要參數(shù)。SD卡初始化的C語(yǔ)言程序如下：
unsigned char SD_Init(void)
{ unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
for (i=0;i<0x0f;i++)
{ SPI_TransferByte(0xff); //延遲74個(gè)以上的時(shí)鐘
}
SD_Enable(); //開(kāi)片選
SPI_TransferByte(SD_RESET); //發(fā)送復(fù)位命令
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x95);
SPI_TransferByte(0xff);
SPI_TransferByte(0xff);
retry=0;
do{ temp=Write_Command_SD(SD_INIT,0);
//發(fā)送初始化命令
retry++;
if(retry==100) //重試100次
{SD_Disable(); //關(guān)片選
return(INIT_CMD1_ERROR);
//如果重試100次失敗返回錯(cuò)誤號(hào)
}
}while(temp!=0);
SD_Disable(); //關(guān)片選
return(TRUE); //返回成功
}
數(shù)據(jù)塊的讀寫(xiě)
完成SD卡的初始化之后即可進(jìn)行它的讀寫(xiě)操作。SD卡的讀寫(xiě)操作都是通過(guò)發(fā)送SD卡命令完成的。SPI總線模式支持單塊（CMD24）和多塊（CMD25）寫(xiě)操作，多塊操作是指從指定位置開(kāi)始寫(xiě)下去，直到SD卡收到一個(gè)停止命令CMD12才停止。單塊寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度只能是512字節(jié)。單塊寫(xiě)入時(shí)，命令為CMD24，當(dāng)應(yīng)答為0時(shí)說(shuō)明可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)，大小為512字節(jié)。SD卡對(duì)每個(gè)發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)塊都通過(guò)一個(gè)應(yīng)答命令確認(rèn)，它為1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)，當(dāng)?shù)?位為00101時(shí)，表明數(shù)據(jù)塊被正確寫(xiě)入SD卡。
在需要讀取SD卡中數(shù)據(jù)的時(shí)候，讀SD卡的命令字為CMD17，接收正確的第一個(gè)響應(yīng)命令字節(jié)為0xFE，隨后是512個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)塊，最后為2個(gè)字節(jié)的CRC驗(yàn)證碼。
可見(jiàn)，讀寫(xiě)SD卡的操作都是在初始化后基于SD卡命令和響應(yīng)完成操作的，寫(xiě)、讀SD卡的程序流程圖如圖4和圖5所示。
結(jié)束語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單片機(jī)使用12MHz的晶體振蕩器時(shí)，讀寫(xiě)速度和功耗都基本令人滿意，可以應(yīng)用于對(duì)讀寫(xiě)速度要求不高的情況下。本文詳細(xì)闡述了用AT89C52單片機(jī)對(duì)SD卡進(jìn)行操作的過(guò)程，提出了一種不帶SD卡控制器，MCU讀寫(xiě)SD卡的方法，實(shí)現(xiàn)了SD卡在電能監(jiān)測(cè)及無(wú)功補(bǔ)償數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的用途。 |
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