讀寫SD卡的設(shè)計及其程序硬件

1、前言 長期以來，以Flash Memory為存儲體的SD卡因具備體積小、功耗低、可擦寫以及非易失性等特點而被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品中。特別是近年來，隨著價格不斷下降且存儲容量不斷提高，它的應(yīng)用范圍日益增廣。當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長時間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)時，選擇SD卡作為存儲媒質(zhì)是開發(fā)者們一個很好的選擇。在電能監(jiān)測以及無功補償系統(tǒng)中，要連續(xù)記錄大量的電壓、電流、有功功率、無功功率以及時間等參數(shù)，當單片機采集到這些數(shù)據(jù)時可以利用SD作為存儲媒質(zhì)。本文主要介紹了SD卡在電能監(jiān)測及無功補償數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。設(shè)計方案應(yīng)用AT89C52讀寫SD卡有兩點需要注意。首先，需要尋找一個實現(xiàn)AT89C52

2、單片機與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題。通訊模式SD卡有兩個可選的通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標準的讀寫方式，但是在選用SD模式時，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。然而，AT89C52單片機沒有集成SD卡控制器接口，若選用SD模式通訊就無形中增加了產(chǎn)品的硬件成本。在SD卡數(shù)據(jù)讀寫時間要求不是很嚴格的情況下，選用SPI模式可以說是一種最佳的解決方案。因為在SPI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前市場上很多MCU都集成有

3、現(xiàn)成的SPI接口電路，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(shè)計。雖然AT89C52不帶SD卡硬件控制器，也沒有現(xiàn)成的SPI接口模塊，但是可以用軟件模擬出SPI總線時序。本文用SPI總線模式讀寫SD卡。電平匹配SD卡的邏輯電平相當于3.3V TTL電平標準，而控制芯片AT89C52的邏輯電平為5V CMOS電平標準。因此，它們之間不能直接相連，否則會有燒毀SD卡的可能。出于對安全工作的考慮，有必要解決電平匹配問題。要解決這一問題，最根本的就是解決邏輯器件接口的電平兼容問題，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別為高電平的最低電壓值；另一

4、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別為低電平的最高電壓值。一般來說，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，這個方案代價相對昂貴，而且一般的專用電平轉(zhuǎn)換芯片都是同時轉(zhuǎn)換8路、16路或者更多路數(shù)的電平，相對本系統(tǒng)僅僅需要轉(zhuǎn)換3路來說是一種資源的浪費。考慮到SD卡在SPI協(xié)議的工作模式下，通訊都是單向的，于是在單片機向SD卡傳輸數(shù)據(jù)時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卡向單片機傳輸數(shù)據(jù)時可以直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟又

5、實用。這個方案需要雙電源供電（一個5V電源、一個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SD卡提供9Pin的引腳接口便于外圍電路對其進行操作，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AT89C52，內(nèi)含8K字節(jié)的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器和256字節(jié)的隨機存儲數(shù)

6、據(jù)存儲器。由于AT89C52只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，而SD卡的數(shù)據(jù)寫入是以塊為單位，每塊為512字節(jié)，所以需要在單片機最小系統(tǒng)上增加一片RAM。本系統(tǒng)中RAM選用存儲器芯片HM62256，容量為32K。對RAM進行讀寫時，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512字節(jié)的塊操作。系統(tǒng)硬件圖如圖2所示。軟件設(shè)計SPI工作模式SD卡在上電初期自動進入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)位命令過程中CS低電平有效，則進入SPI模式，否則工作在SD總線模式。對于不帶SPI串行總線接口的AT89C52單片機來說，用

7、軟件來模擬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時鐘的同時，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至AT89C52單片機的P1.7（模擬MISO線），此后再置P1.5為1，使單片機從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SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。 本文的實現(xiàn)程序把SPI總線讀寫功能集成在一起，傳遞的val變量既是向SPI寫的數(shù)據(jù)，也是從SPI讀取的數(shù)據(jù)。具

8、體程序如下：（程序是在Keil uVision2的編譯環(huán)境下編寫）sbit CS=P35; sbit CLK= P15;sbit DataI=P17; sbit DataO=P16;#define SD_Disable( CS=1 /片選關(guān) #define SD_Enable( CS=0 /片選開 unsigned char SPI_TransferByte(unsigned char val unsigned char BitCounter;for(BitCounter=8; BiCounter!=0; BitCounter- CLK=0;DataI=0; / writeif(val&

9、;0x80 DataI=1;val<<=1; CLK=1;if(DataOval|=1; / read CLK=0; return val;SD卡的初始化對SD卡進行操作首先要對SD卡進行初始化，初始化的過程中設(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CMD55和ACMD41判斷當前電壓是否在工作范圍內(nèi)。主機還可以繼續(xù)通過CMD10讀取SD卡的CID寄存器，通過CMD16設(shè)置數(shù)據(jù)Block長度，通過CMD9讀取卡的CSD寄存器。從CSD寄存器中，主機可獲知卡容量，支持的命令集等重要參數(shù)。SD卡初始化的C語言程序如下：unsigned char SD_In

10、it(void unsigned char retry,temp;unsigned char i;for (i=0;i<0x0f;i+ SPI_TransferByte(0xff; /延遲74個以上的時鐘SD_Enable(; /開片選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_TransferB

11、yte(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次失敗返回錯誤號while(temp!=0;SD_Disable(; /關(guān)片選return(TRUE; /返回成功數(shù)據(jù)塊的讀寫完成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(fā)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，多塊操作是指從指定位置開始寫下去，直到SD卡收

12、到一個停止命令CMD12才停止。單塊寫操作的數(shù)據(jù)塊長度只能是512字節(jié)。單塊寫入時，命令為CMD24，當應(yīng)答為0時說明可以寫入數(shù)據(jù)，大小為512字節(jié)。SD卡對每個發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)塊都通過一個應(yīng)答命令確認，它為1個字節(jié)長，當?shù)?位為00101時，表明數(shù)據(jù)塊被正確寫入SD卡。在需要讀取SD卡中數(shù)據(jù)的時候，讀SD卡的命令字為CMD17，接收正確的第一個響應(yīng)命令字節(jié)為0xFE，隨后是512個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)塊，最后為2個字節(jié)的CRC驗證碼。可見，讀寫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、讀SD卡的程序流程圖如圖4和圖5所示。結(jié)束語實驗結(jié)果表明單片機使用12MHz的晶體振蕩器時，讀

13、寫速度和功耗都基本令人滿意，可以應(yīng)用于對讀寫速度要求不高的情況下。本文詳細闡述了用AT89C52單片機對SD卡進行操作的過程，提出了一種不帶SD卡控制器，MCU讀寫SD卡的方法，實現(xiàn)了SD卡在電能監(jiān)測及無功補償數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的用途。了解了指令的形式和具體的控制內(nèi)容，下面主要解決的就是MCU與SD卡的通信問題，通信主要需要注意下面的問題：（1）供電電壓：必須是3.3V   (2 通信模式的切換：SD卡有兩種通信模式：SPI模式和SD模式,默認情況下的通信模式是SD模式,但是我們常用的模式是SPI模式,這就需要一個切換模式的方法,具體的實現(xiàn)方法在其他地方也都有介紹,其關(guān)鍵的地方

14、就是先上電延時大于74個時鐘周期后發(fā)送復(fù)位命令,復(fù)位成功(接收到0x01的響應(yīng)后,連續(xù)發(fā)送CMD55和ACMD41,直到響應(yīng)0X00為止，此時SD卡已經(jīng)進入SPI模式。（3）上面所說的發(fā)送復(fù)位命令（CMD0）以及CMD55和ACMD41要有具體的實現(xiàn)方法，需要解決的就是時序問題，下圖就為復(fù)位的時序圖，只要能夠按照下圖的時序進行操作，肯定能夠復(fù)位成功.本復(fù)位分為（1）上電，（2）延時74個周期以上，（3）發(fā)送命令CMD0,(4發(fā)送命令參數(shù)0X0000,(5發(fā)送CRC校驗0X95,(6等待響應(yīng)(7響應(yīng)0X01此時得到正確響應(yīng)復(fù)位成功,否則重復(fù)以上操作直到成功為止。介紹復(fù)位的同時其他的命令也和復(fù)位命

15、令類似，只是根據(jù)命令的作用不同有著不同的響應(yīng)類型和不同的后續(xù)操作，下面給出集中常用命令的時序圖。（1）讀CID寄存器時序圖說明：當發(fā)送命令并得到響應(yīng)0X00后就開始準備接收CID寄存器中的內(nèi)容，此時只要接收到起始標志0XFE后，之后的16個字節(jié)的內(nèi)容即為CID寄存器的內(nèi)容。（2）讀CSD寄存器內(nèi)容時序和讀CID的類似，只是此時發(fā)送的命令為CMD9SD卡數(shù)據(jù)的讀寫是以塊為單位:默認情況下一塊的大小為512字節(jié)(3 讀SD卡一個塊(512字節(jié)時序(4 寫一個塊(512字節(jié)時序圖1.SD卡的命令格式：SD卡的指令由6字節(jié)(Byte組成，如下：Byte1：0 1 x x x x x x(命令號，由指令

16、標志定義，如CMD39為100111即16進制0x27，那么完整的CMD39第一字節(jié)為01100111，即0x27+0x40Byte2-5:Command Arguments,命令參數(shù)，有些命令沒有參數(shù)Byte6:前7位為CRC(Cyclic Redundacy Check，循環(huán)冗余校驗校驗位，最后一位為停止位02.SD卡的命令SD卡命令共分為12類，分別為class0到class11，不同的SDd卡，主控根據(jù)其功能，支持不同的命令集 如下:Class0 :(卡的識別、初始化等基本命令集CMD0:復(fù)位SD 卡.CMD1:讀OCR寄存器.CMD9:讀CSD寄存器.CMD10:讀CID寄存器.CM

17、D12:停止讀多塊時的數(shù)據(jù)傳輸CMD13:讀 Card_Status 寄存器Class2 (讀卡命令集:CMD16:設(shè)置塊的長度CMD17:讀單塊.CMD18:讀多塊,直至主機發(fā)送CMD12為止 .Class4(寫卡命令集 :CMD24:寫單塊.CMD25:寫多塊.CMD27:寫CSD寄存器 .Class5 (擦除卡命令集:CMD32:設(shè)置擦除塊的起始地址.CMD33:設(shè)置擦除塊的終止地址.CMD38: 擦除所選擇的塊.Class6(寫保護命令集:CMD28:設(shè)置寫保護塊的地址.CMD29:擦除寫保護塊的地址.CMD30: Ask the card for the status of the

18、write protection bitsclass7：卡的鎖定，解鎖功能命令集class8：申請?zhí)囟罴?。class10 11 ：保留其中class1, class3,class9：SPI模式不支持 本程序參考自bozai的SD卡驅(qū)動程序， 增加了SD、MMC卡判斷的功能，SD、MMC初始化成功后能返回卡的類型參數(shù)供主程序使用。 /-SD_MMC.H- #ifndef _SD_MMC_H_ #define _SD_MMC_H_ / 數(shù)據(jù)宏定義 #define uint8 unsigned char #define int8 signed char #define uint16 unsig

19、ned int #define int16 signed int #define uint32 unsigned long #define int32 signed long / C8051F015與SD_MMC 的接口定義 sbit SDCS = P30; sbit SDDET = P31; sbit SDWP = P32; void SPI_SendWreit(uchar temp; / VS1003B DATA發(fā)送 uint8 SPI_SendByte(uint8 val; / SPI傳送一個字節(jié) uint8 MMC_SD_SendCmd(uint8 Cmd, uint32 arg; /

20、發(fā)送卡命令 uint8 MMC_SD_ReadSingleBlock(uint32 sector, uint8 *buffer; /讀一個扇區(qū) uint8 MMC_SD_WriteSingleBlock(uint32 sector, uint8 *buffer; /寫一個扇區(qū) uint8 MMC_SD_init(; /mmc_sd卡初始化 #endif /-SD_MMC.C- /- / SD_MMC 底層驅(qū)動函數(shù)庫 / 編譯環(huán)境：Keil C V2.40 / 編寫日期：2008-04-07 / 最后更新：2008-05-04 /- #include "main.h" #in

21、clude "sd_mmc.h" /- / 函數(shù)名：SPI_SendByte / 功 能：SPI 數(shù)據(jù)發(fā)送 / 參 數(shù)：uchar / 返回值： /- void SPI_SendWreit(uchar temp SPI0DAT=temp; while(TXBSY; / 查詢發(fā)送標志位 /- / 函數(shù)名：SPI_SendByte / 功 能：SPI傳送一個字節(jié) / 參 數(shù)：uchar / 返回值：uchar /- uint8 SPI_SendByte(uint8 val / uint8= uchar SPI0DAT = val; while(TXBSY; return SPI

22、0DAT; /- / 函數(shù)名：MMC_SD_SendCmd / 功 能：發(fā)送卡命令 / 參 數(shù)：uint8,uint32 / 返回值：uint8 /- uint8 MMC_SD_SendCmd(uint8 Cmd, uint32 arg uint8 r1; uint8 retry=0; SPI_SendWreit(0xFF; /發(fā)命令前先發(fā)送8個時鐘 SPI_SendWreit(Cmd | 0x40; /分別寫入命令 SPI_SendWreit(arg>>24; SPI_SendWreit(arg>>16; SPI_SendWreit(arg>>8; SPI

23、_SendWreit(arg; SPI_SendWreit(0x95; /僅本次有效的 CRC值 while(r1 = SPI_SendByte(0xFF = 0xFF /等待響應(yīng) if(retry+ > 8 break; /超時退出 return r1; /返回狀態(tài)值 /- / 函數(shù)名：MMC_SD_ReadSingleBlock / 功 能：讀一個扇區(qū) / 參 數(shù)：扇區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū) / 返回值： /- uint8 MMC_SD_ReadSingleBlock(uint32 sector,uint8 *buffer uint8 r1; uint16 i; SDCS=0; / 使能Car

24、d r1 = MMC_SD_SendCmd(17, sector<<9; / 發(fā)讀扇區(qū)命令 if(r1 != 0x00 return r1; while(SPI_SendByte(0xFF != 0xFE; /-等待數(shù)據(jù)的起始令牌號- for(i=0; i<512; i+ /讀512個數(shù)據(jù) *buffer+ = SPI_SendByte(0xFF; SPI_SendWreit(0xFF; / 發(fā)送偽CRC SPI_SendWreit(0xFF; SDCS=1; / 關(guān)閉Card return 0; /- / 函數(shù)名：MMC_SD_WriteSingleBlock / 功 能：

25、寫一個扇區(qū) / 參 數(shù)：扇區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū) / 返回值： /- uint8 MMC_SD_WriteSingleBlock(uint32 sector, uint8 *buffer uint8 r1; uint16 i; SDCS=0; / 使能Card r1 = MMC_SD_SendCmd(24, sector<<9; /寫命令 if(r1 != 0x00 return r1; SPI_SendWreit(0xFF; SPI_SendWreit(0xFF; SPI_SendWreit(0xFF; SPI_SendWreit(0xFE; /發(fā)送數(shù)據(jù)起始令牌號 for(i=0; i&

26、lt;512; i+ /以扇區(qū)為單位寫入數(shù)據(jù) SPI_SendWreit(*buffer+; SPI_SendWreit(0xFF; / 發(fā)送偽CRC SPI_SendWreit(0xFF; r1 = SPI_SendByte(0xFF; / 讀數(shù)據(jù)應(yīng)答令牌號 if( (r1&0x1F != 0x05 /等待是否成功 SDCS=1; return r1; while(!SPI_SendByte(0xFF; /-等待操作完成- SDCS=1; / 關(guān)閉Card return 0; /- / 函數(shù)名：MMC_SD_Init / 功 能：sd卡初始化 / 參 數(shù)：無 / 返回值：uint8 type / 卡類型返回值: 0x10 SD, 0x20 MMC /- uint8 MMC_SD_init( uint8 i; uint8 retry; uint8 r1=0; uint8 type=0; / 卡類型返回值：0xA0 SD 0xB0 MMC SDCS = 0; / 使能Card SPI_speed=0x13; /低速 SPI=300k Fsystem=12Mhz retry = 0; do for(i=0;i<10;i+ SPI_SendByte(0xFF; /發(fā)送80個時鐘，使卡同步 r1 = MMC_SD_Se