摘要: 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(dāng)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(dāng)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。

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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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(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)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)。具體程序如下：（程序是在Keil uVision2的編譯環(huán)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(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; // 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(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(dāng)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_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(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(dāng)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(dāng)?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。