【正文】 ，若選用 SD 模式通訊就無形中增加了產(chǎn)品的硬件成 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 共 40 頁 3 本。 本設(shè)計是 通過對 51 單片機與 SD 卡的驅(qū)動接口進行設(shè)計，實現(xiàn)普通單片機對大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存。 51 單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 共 40 頁 2 1 方案論證與選擇 題目來源 SD 存儲卡在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛，但 SD 卡接口一般僅集成以 ARM 為代表的 32 位處理器中，而大量運用的 51 單片機則由于資源限制沒有該接口。 單片機是智能化模塊，有數(shù)據(jù)存儲、讀寫的功能，并且支持匯編和 C 語言編程，在工作電壓穩(wěn)定的條件下可以實現(xiàn)長時間穩(wěn)定的工作，而且還具有價格低廉的優(yōu)勢。 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 。其體積小、容量大以及數(shù)據(jù)傳輸快等優(yōu)點，是眾多電子設(shè)備理想的外部存儲介質(zhì)。 SD card。該系統(tǒng)能同時采集四路周期信號波形，并將四路模擬電壓（ 05V）進行 A/D 轉(zhuǎn)換，每秒鐘轉(zhuǎn)換一次，結(jié)果轉(zhuǎn)換為 ASCII 碼形式，且四路結(jié)果分別存儲到 SD 卡預(yù)先建立好的 、 、 、 文檔中。采用該方法讀取 SD 卡控制數(shù)據(jù)與存儲文件的分區(qū)表格式無關(guān) , 因此支持 FAT3 NTFS、exFAT 等文件格式下從 16MB ~ 32 GB 的 SD 卡。 1 NO： 桂林航天工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)論文 題目： SD 卡存儲采集 數(shù)據(jù)電路設(shè)計 專業(yè)： 電子信息工程技術(shù) 姓名： 李強 學(xué)號： 202004520330 指導(dǎo)教師： 陳錫華 2020 年 06 月 10 日 i 摘 要 隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路組成的電子系統(tǒng)集成度越來越高，使得芯片的復(fù)雜性不斷上升 ,單片的成本卻不斷降低。 針對傳統(tǒng)方法中 ? 單片機 (MCU )讀 寫 SD 卡數(shù)據(jù)時需要執(zhí)行復(fù)雜的文件分區(qū)表數(shù)據(jù)操作?的缺點 , 以 LED 護欄管顯示屏技術(shù)要求為例 , 提出了一種單片機主從系統(tǒng)中快速、簡單的 SD 卡存儲器的訪問方法 , 并給出了一種實用的 SD 卡與單片機連接的接口電路。 論文介紹了 SD卡存儲采集數(shù)據(jù)電路設(shè)計原理、電路以及程序，闡述了基于 STC12C5A60S2芯片主控的 DY_mini80E開發(fā)板實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的 SD存儲的設(shè)計電路過程和實現(xiàn)方法以及運行得到的結(jié)果分析。STC12C5A60S2。 SD 卡作為一種基于半導(dǎo)體閃存工藝的存儲卡， 1999 年由日本松下、東芝和美國SanDisk 公司共同研制完成。而操作系統(tǒng)對處理器要求較高，且占用一定的存儲空間，對于許多無法使用嵌入操作系統(tǒng)的處理器，需要自己來實現(xiàn)文件系統(tǒng) ——— 在處理器中內(nèi)嵌文件系統(tǒng)。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)。基于此特點，設(shè)計采用 PCF8591 進行 A/D 轉(zhuǎn)換，用 STC12C5A60S2 單片機對SD 卡進行讀寫操作。 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。大小猶如一張郵票的 SD 記憶卡，重量只有 2 克，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。 SD 模式需要選擇帶有 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。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。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。 SD 卡有兩種操作模式，一種是 SD模式，另一種是 SPI 模式，不同模式下端口的定義不同。 SD 卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 ，主要有四部分組成，一是接口電路，共有九個接口電路，定義如表 1 所示。接口電路通過控制電路與內(nèi)部寄存器組成存儲單元交換數(shù)據(jù)，其主要操作有寫命令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)等。而 SPI 方式采用 4 線制，使用 CS、 CLK、 DataIn、 DataOut進行數(shù)據(jù)通信。 （ 2） SPI 方式驅(qū)動 SD 卡的方法 SD 卡 的 SPI 通信接口使其可以通過 SPI 通道進行數(shù)據(jù)讀寫。以下介紹 SD 卡的驅(qū)動方法，只實現(xiàn)簡單的扇區(qū)讀寫。 通過同步星型拓撲， SD 總線可以接一個主 SD 卡，或者多個從 SD 卡。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 40 頁 7 圖 SD總線連接圖 SPI 總線 兼容 SD 卡的 SPI 通信模式是一種通過 SPI 信道訪問 SD 卡的方式。它的不利之處是降低了系統(tǒng)的性能，也沒有 SD 總線那樣更多的連接選項。 圖 SPI總線連接 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 40 頁 8 總線協(xié)議 (1)SD 總線協(xié)議 SD 總線上的通信是以命令幀、反饋幀和數(shù)據(jù)幀進行的，這幾種幀格式都包含起始位和停止位。數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)鏈路進 行傳輸?shù)摹６鄩K傳輸在進行寫卡操作時的速度比單塊傳輸快得多。 SPI 的命令和數(shù)據(jù)塊都是按 8個比特為單位進行分組的，和 SD協(xié)議相似，SPI 的信息也分為控制幀、反饋幀和數(shù) 據(jù)幀，所有主機和卡之間的通信都被主機進行控制，主機通過拉低 CS 信號以開始一個總線事務(wù)。 一個合法的數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾應(yīng)當(dāng)包括 16 位的 CRC 校驗部分， CRC 校驗值是按照標(biāo)準(zhǔn)的CCITT的 x 的 16 次方 +X的 12次方 +X 的 5次方 +1產(chǎn)生的。如果卡正在忙于往存儲介質(zhì)中寫數(shù)據(jù)時，它會持續(xù)發(fā)一個“工作忙”的令牌給主機。最后是 7位CRC 校驗位和一位停止位 1。如果把它們分開，那么每張卡將在輪到它的時候單獨接收。這個命令將被所有的卡單獨接受并響應(yīng)。命令傳送總是從左邊的位開始。 CMD10：讀 CTD 寄存器。 CMD17：讀單塊。 CMD27：寫 CSD 寄存器。 CMD29：擦除寫保護塊的地址。 classl0和 class11：保留。并用 TFT 彩屏顯示經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后的四路實時電壓，用以觀察采集數(shù)據(jù)的變化。 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。電源電路原理圖如圖 。下面圖 STC12C5A60S2 單片機的 引腳 圖。 5%, 單片機為 ，誤差為177。 13. 共 4 個 16 位定時器 ,兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器 ,16 位定時器 T0和 T1，沒有定時器 2，但有獨立 波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ,再加上2路 PCA 模塊可再 實現(xiàn) 2個 16位定時器。 STC12C5A60S2 單片機中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時 /計數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。 （ 1）復(fù)位電路 STC12C5A60S2 的復(fù)位引腳 (RESET)是第 9 腳，當(dāng)此引腳連接高電平超過 2 個機器周期，即可產(chǎn)生復(fù)位的動作。這里說下用高電平復(fù)位：在 VCC和 RST端接一容量為 10uF左右的電解電容，再串聯(lián)一個電阻 R21(10KΩ )接地。只要電容 C容量足夠大，即可保證 RST 高電平有效時間大于 24 個真到周期， CPU 能可靠復(fù)位。 復(fù)位按鈕按下時，電解電容 C10 通過 R10 放電，當(dāng)電解電容 C10 放電結(jié)束后， RST端的電位由 Rr和 R10 分壓比決定。在該電路由兩個 30pF的電容 C C9和一個 24MHz 的晶振 Y2組成。 PCF8591 的 3 個地址引腳A0, A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許在同個 I2C 總線上接入 8個 PCF8591 器件，而無需額外的硬件。電路 將電壓 VCC（ 5V）通過四路 W3~W6 均 10KΩ的滑動變阻器（即電壓可調(diào)范圍 0V5V）分別進入 AIN0~AIN3 進行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過 SCL、 SDA 腳送到 STC12C5A60S2 單片機。 圖 帶 SD卡的 TFT彩屏接口定義 帶 SD卡的 TFT 彩屏數(shù)據(jù)接口兼容 DY_mini80E 開發(fā)板上的 12864 液晶接口， GND 為1腳，對應(yīng) 12864 液晶插座的腳，其接口原理圖如圖 。 Keil 軟件簡介 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51系列兼容單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu) 性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 Keil 使用 “ 工程 ”(Projec t)的概念，對工程 (而不能對單一的源程序 )進行編譯 /匯編、連接等操作。加入文件后點 close 返回主界面，展開 “Source Group1” 前面 +號，就會看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開該源程序文件。 Keil 能以單步執(zhí)行 (按 F11或選擇 DebugStep)、過程單步執(zhí)行 (按 F10或選擇 DebugStep Over)、全速執(zhí)行等多種運行方式進行程序調(diào)試。 系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)初始化 要讓系統(tǒng)正常運行首先要對系統(tǒng)進行初始化，主要包括：定時器 T0初始化、 DS1302初始化、 LCD 初始化、 SD卡初始化、文件系統(tǒng)初始化。通常 SD 卡上電后會自動進入 SD 總線模式， 并在 SD 總線模式下向 SD 卡發(fā)送復(fù)位命令(CMD0)。此后， 系統(tǒng)便可讀取 SD 卡的各寄存器， 以進行讀寫等操作。為了和文件系統(tǒng)兼容，對頁的讀寫操作都按 512 字節(jié)的數(shù)據(jù)量進行。 SD 卡的讀寫操作都是通過發(fā)送SD 卡命令完成的。 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)?5 位為 00101 時，表明數(shù)據(jù)塊被正確寫入 SD 卡。 圖 SD卡存儲時間和電壓流程圖 定時器 T0 函數(shù)流程圖 系統(tǒng)要求四個通道每一秒中分別進行一次 A/D 轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用 24MHz 晶振，一個周期 ，定時器初值賦值為 50ms，則 1s/(50ms*)=40,即溢出 40 次中斷一次為1s。 中斷 重新賦初 值 50mS 溢出 40次？ 溢出次數(shù)加一 溢出次數(shù)清零 是 否 置位 1S標(biāo)志位 中斷返回 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 26 頁 共 40 頁 26 圖 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 按鍵內(nèi)容 清除 未按下 清除時間標(biāo)志位 讀取 DS1302 讀取 4個通道AD采樣數(shù)據(jù) 計算電壓值 SD卡存儲 時間和電壓 顯示時間和各通道電壓 置位 /清除采集位 刪除記錄文件 采集、停止采集 時間標(biāo)志位 采集標(biāo)志位 是 是 否 否 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 27 頁 共 40 頁 27 5 結(jié)論