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    基于AT89C52單片機的SD卡讀寫設計

    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用于消費類電子產品中。特別是近年來,隨著價格不斷下降且存儲容量不斷提高,它的應用范圍日益增廣。當數據采集系統需要長時間地采集、記錄海量數據時,選擇SD卡作為存儲媒質是開發者們一個很好的選擇。在電能監測以及無功補償系統中,要連續記錄大量的電壓、電流、有功功率、無功功率以及時間等參數,當單片機采集到這些數據時可以利用SD作為存儲媒質。本文主要介紹了SD卡在電能監測及無功補償數據采集系統中的應用方案。

    設計方案

      應用AT89C52讀寫SD卡有兩點需要注意。首先,需要尋找一個實現AT89C52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品的硬件成本。在SD卡數據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據交換,并且目前市場上很多MCU都集成有現成的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計。

      雖然AT89C52不帶SD卡硬件控制器,也沒有現成的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,應該大于接收電平器件識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,通用的電平轉換方案是采用類似SN74ALVC4245的專用電平轉換芯片,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換芯片都是同時轉換8路、16路或者更多路數的電平,相對本系統僅僅需要轉換3路來說是一種資源的 浪費。

      考慮到SD卡在SPI協議的工作模式下,通訊都是單向的,于是在單片機向SD卡傳輸數據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卡向單片機傳輸數據時可以直接連接,因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則,既經濟又實用。

       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穩壓管從5V電源穩壓獲取。

    硬件接口設計

      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總線的數據輸出線MOSI,而引腳7(DAT0)為數據輸入線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公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C52,內含8K字節的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256字節的隨機存儲數據存儲器。由于AT89C52只有256字節的數據存儲器,而SD卡的數據寫入是以塊為單位,每塊為512字節,所以需要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位地址數據構成16位地址空間,從而可使SD卡一次讀寫512字節的塊操作。系統硬件圖如圖2所示。

     

    軟件設計

      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卡發送復位命令CMD0。如果SD卡在接收復位命令過程中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)的初始狀態設置為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位數據至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位數據輸入輸出便完成。此后再置P1.5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。

      本文的實現程序把SPI總線讀寫功能集成在一起,傳遞的val變量既是向SPI寫的數據,也是從SPI讀取的數據。具體程序如下:(程序是在Keil uVision2的編譯環境下編寫)

      sbit CS=P3^5;

      sbit CLK= P1^5;

      sbit DataI=P1^7;

      sbit DataO=P1^6;

      #define SD_Disable() CS=1 //片選關

      #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; // 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,初始化的過程中設置SD卡工作在SPI模式,其流程圖如圖3所示。

     

      在復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。主機還可以繼續通過CMD10讀取SD卡的CID寄存器,通過CMD16設置數據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。SD卡初始化的C語言程序如下:

      unsigned char SD_Init(void)

      { unsigned char retry,temp;

      unsigned char i;

      for (i=0;i<0x0f;i++)

      { SPI_TransferByte(0xff); //延遲74個以上的時鐘

      }

      SD_Enable(); //開片選

      SPI_TransferByte(SD_RESET); //發送復位命令

      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);

      //發送初始化命令

      retry++;

      if(retry==100) //重試100次

      {SD_Disable(); //關片選

      return(INIT_CMD1_ERROR);

      //如果重試100次失敗返回錯誤號

      }

      }while(temp!=0);

      SD_Disable(); //關片選

      return(TRUE); //返回成功

      }

      數據塊的讀寫

      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卡收到一個停止命令CMD12才停止。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,大小為512字節。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。

      在需要讀取SD卡中數據的時候,讀SD卡的命令字為CMD17,接收正確的第一個響應命令字節為0xFE,隨后是512個字節的用戶數據塊,最后為2個字節的CRC驗證碼。

      可見,讀寫SD卡的操作都是在初始化后基于SD卡命令和響應完成操作的,寫、讀SD卡的程序流程圖如圖4和圖5所示。

     

    結束語

      實驗結果表明單片機使用12MHz的晶體振蕩器時,讀寫速度和功耗都基本令人滿意,可以應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,實現了SD卡在電能監測及無功補償數據采集系統中的用途。

     
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