【正文】 ，若選用 SD 模式通訊就無(wú)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(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 40 頁(yè) 3 本。 本設(shè)計(jì)是 通過(guò)對(duì) 51 單片機(jī)與 SD 卡的驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)普通單片機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存。 51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門(mén)的一個(gè)單片機(jī)，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(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 共 40 頁(yè) 2 1 方案論證與選擇 題目來(lái)源 SD 存儲(chǔ)卡在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用越來(lái)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(yùn)用的 51 單片機(jī)則由于資源限制沒(méi)有該接口。 單片機(jī)是智能化模塊，有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀寫(xiě)的功能，并且支持匯編和 C 語(yǔ)言編程，在工作電壓穩(wěn)定的條件下可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，而且還具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。 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(lèi)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(diǎn)，是眾多電子設(shè)備理想的外部存儲(chǔ)介質(zhì)。 SD card。該系統(tǒng)能同時(shí)采集四路周期信號(hào)波形，并將四路模擬電壓（ 05V）進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)文件的分區(qū)表格式無(wú)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(chǔ)采集 數(shù)據(jù)電路設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)： 電子信息工程技術(shù) 姓名： 李強(qiáng) 學(xué)號(hào)： 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(lái)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(duì)傳統(tǒng)方法中 ? 單片機(jī) (MCU )讀 寫(xiě) SD 卡數(shù)據(jù)時(shí)需要執(zhí)行復(fù)雜的文件分區(qū)表數(shù)據(jù)操作?的缺點(diǎn) , 以 LED 護(hù)欄管顯示屏技術(shù)要求為例 , 提出了一種單片機(jī)主從系統(tǒng)中快速、簡(jiǎn)單的 SD 卡存儲(chǔ)器的訪問(wèn)方法 , 并給出了一種實(shí)用的 SD 卡與單片機(jī)連接的接口電路。 論文介紹了 SD卡存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)電路設(shè)計(jì)原理、電路以及程序，闡述了基于 STC12C5A60S2芯片主控的 DY_mini80E開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的 SD存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)電路過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方法以及運(yùn)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(chǔ)卡， 1999 年由日本松下、東芝和美國(guó)SanDisk 公司共同研制完成。而操作系統(tǒng)對(duì)處理器要求較高，且占用一定的存儲(chǔ)空間，對(duì)于許多無(wú)法使用嵌入操作系統(tǒng)的處理器，需要自己來(lái)實(shí)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(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)?；诖颂攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)采用 PCF8591 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，用 STC12C5A60S2 單片機(jī)對(duì)SD 卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 單片機(jī)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(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)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(dòng)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(xiě)。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。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(mǎn)足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)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(gè)接口電路，定義如表 1 所示。接口電路通過(guò)控制電路與內(nèi)部寄存器組成存儲(chǔ)單元交換數(shù)據(jù)，其主要操作有寫(xiě)命令、讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 （ 2） SPI 方式驅(qū)動(dòng) SD 卡的方法 SD 卡 的 SPI 通信接口使其可以通過(guò) SPI 通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。以下介紹 SD 卡的驅(qū)動(dòng)方法，只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的扇區(qū)讀寫(xiě)。 通過(guò)同步星型拓?fù)洌?SD 總線可以接一個(gè)主 SD 卡，或者多個(gè)從 SD 卡。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 共 40 頁(yè) 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(guò) SPI 信道訪問(wèn) SD 卡的方式。它的不利之處是降低了系統(tǒng)的性能，也沒(méi)有 SD 總線那樣更多的連接選項(xiàng)。 圖 SPI總線連接 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 共 40 頁(yè) 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(jìn)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(guò)數(shù)據(jù)鏈路進(jìn) 行傳輸?shù)?。多塊傳輸在進(jìn)行寫(xiě)卡操作時(shí)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(gè)比特為單位進(jìn)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(jī)和卡之間的通信都被主機(jī)進(jìn)行控制，主機(jī)通過(guò)拉低 CS 信號(hào)以開(kāi)始一個(gè)總線事務(wù)。 一個(gè)合法的數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾應(yīng)當(dāng)包括 16 位的 CRC 校驗(yàn)部分， CRC 校驗(yàn)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(chǔ)介質(zhì)中寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)持續(xù)發(fā)一個(gè)“工作忙”的令牌給主機(jī)。最后是 7位CRC 校驗(yàn)位和一位停止位 1。如果把它們分開(kāi)，那么每張卡將在輪到它的時(shí)候單獨(dú)接收。這個(gè)命令將被所有的卡單獨(dú)接受并響應(yīng)。命令傳送總是從左邊的位開(kāi)始。 CMD10：讀 CTD 寄存器。 CMD17：讀單塊。 CMD27：寫(xiě) CSD 寄存器。 CMD29：擦除寫(xiě)保護(hù)塊的地址。 classl0和 class11：保留。并用 TFT 彩屏顯示經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后的四路實(shí)時(shí)電壓，用以觀察采集數(shù)據(jù)的變化。 一般來(lái)說(shuō)，通用的電平轉(zhuǎn)換方案是采用類(lèi)似 SN74ALVC4245 的專(zhuān)用電平轉(zhuǎn)換芯片，這類(lèi) 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(jī)的 引腳 圖。 5%, 單片機(jī)為 ，誤差為177。 13. 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 ,兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,16 位定時(shí)器 T0和 T1，沒(méi)有定時(shí)器 2，但有獨(dú)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(shí)現(xiàn) 2個(gè) 16位定時(shí)器。 STC12C5A60S2 單片機(jī)中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲(chǔ)器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (SRAM)、定時(shí) /計(jì)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(mén)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(guò) 2 個(gè)機(jī)器周期，即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。這里說(shuō)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(gè)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(shí)間大于 24 個(gè)真到周期， CPU 能可靠復(fù)位。 復(fù)位按鈕按下時(shí)，電解電容 C10 通過(guò) 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(gè) 30pF的電容 C C9和一個(gè) 24MHz 的晶振 Y2組成。 PCF8591 的 3 個(gè)地址引腳A0, A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許在同個(gè) I2C 總線上接入 8個(gè) PCF8591 器件，而無(wú)需額外的硬件。電路 將電壓 VCC（ 5V）通過(guò)四路 W3~W6 均 10KΩ的滑動(dòng)變阻器（即電壓可調(diào)范圍 0V5V）分別進(jìn)入 AIN0~AIN3 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) SCL、 SDA 腳送到 STC12C5A60S2 單片機(jī)。 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(kāi)發(fā)板上的 12864 液晶接口， GND 為1腳，對(duì)應(yīng) 12864 液晶插座的腳，其接口原理圖如圖 。 Keil 軟件簡(jiǎn)介 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51系列兼容單片機(jī) C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu) 性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 Keil 使用 “ 工程 ”(Projec t)的概念，對(duì)工程 (而不能對(duì)單一的源程序 )進(jìn)行編譯 /匯編、連接等操作。加入文件后點(diǎn) close 返回主界面，展開(kāi) “Source Group1” 前面 +號(hào)，就會(huì)看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開(kāi)該源程序文件。 Keil 能以單步執(zhí)行 (按 F11或選擇 DebugStep)、過(guò)程單步執(zhí)行 (按 F10或選擇 DebugStep Over)、全速執(zhí)行等多種運(yùn)行方式進(jìn)行程序調(diào)試。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化 要讓系統(tǒng)正常運(yùn)行首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要包括：定時(shí)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(huì)自動(dòng)進(jìn)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(jìn)行讀寫(xiě)等操作。為了和文件系統(tǒng)兼容，對(duì)頁(yè)的讀寫(xiě)操作都按 512 字節(jié)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行。 SD 卡的讀寫(xiě)操作都是通過(guò)發(fā)送SD 卡命令完成的。 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)?5 位為 00101 時(shí)，表明數(shù)據(jù)塊被正確寫(xiě)入 SD 卡。 圖 SD卡存儲(chǔ)時(shí)間和電壓流程圖 定時(shí)器 T0 函數(shù)流程圖 系統(tǒng)要求四個(gè)通道每一秒中分別進(jìn)行一次 A/D 轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用 24MHz 晶振，一個(gè)周期 ，定時(shí)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(jì)（論文） 第 26 頁(yè) 共 40 頁(yè) 26 圖 主程序流程圖 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 按鍵內(nèi)容 清除 未按下 清除時(shí)間標(biāo)志位 讀取 DS1302 讀取 4個(gè)通道AD采樣數(shù)據(jù) 計(jì)算電壓值 SD卡存儲(chǔ) 時(shí)間和電壓 顯示時(shí)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(shí)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(jì)（論文） 第 27 頁(yè) 共 40 頁(yè) 27 5 結(jié)論