【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)據(jù)的存儲單元。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。 圖 SD卡的外形與接口 圖 SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 40 頁 5 SD 卡的引腳定義 SD 卡的引腳定義見表 表 SD卡引腳功能詳述 引腳 編號 SD模式 SPI 模式 名稱 類型 描述 名稱 類型 描述 1 CD/DAT3 IO或 PP 卡檢測 /數(shù)據(jù)線 3 CS I 片選 2 CMD PP 命令 /回應 DI I 數(shù)據(jù)輸入 3 VSS1 S 電源地 VSS S 電源地 4 VDD S 電源 VDD S 電源 5 CLK I 時鐘 SCLK I 時鐘 6 VSS2 S 電源地 VSS2 S 電源地 7 DAT0 IO或 PP 數(shù)據(jù)線 0 DO O 或 PP 數(shù)據(jù)輸出 8 DAT1 IO或 PP 數(shù)據(jù)線 1 RSV 9 DAT2 IO或 PP 數(shù)據(jù)線 2 RSV 注： S：電源供給； I：輸入； O：采用推拉驅(qū)動的輸出； PP：采用推拉驅(qū)動的輸入輸出。 SD 卡 SPI 模式工作介紹 （ 1） SD 卡 SPI 模式下與單片機的連接圖 如圖 圖 SD卡 SPI模式下與單片機連接圖 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 共 40 頁 6 SD 卡支持兩種總線方式： SD 方式與 SPI 方式。其中 SD 方式采用 6線制，使用 CLK、CMD、 DAT0~DAT3 進行數(shù)據(jù)通信。而 SPI 方式采用 4 線制，使用 CS、 CLK、 DataIn、 DataOut進行數(shù)據(jù)通信。 SD 方式時的數(shù)據(jù)傳輸速度與 SPI方式要快，采用單片機對 SD 卡進行讀寫時一般都采用 SPI模式。采用不同的初始化方 式可以使 SD 卡工作于 SD 方式或 SPI 方式。這里只對其 SPI方式進行介紹。 （ 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。從應用的角度來看，采用 SPI 接口的好處在于，很多單片機內(nèi)部自帶 SPI 控制器，不光給開發(fā)上帶來方便，同時也見降低了開發(fā)成本。然而，它也有不好的地方，如失去了 SD 卡的性能優(yōu)勢，要解決這一問題，就要用 SD 方式，因為它提供更大的總線數(shù)據(jù)帶寬。 SPI 接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進行的。以下介紹 SD 卡的驅(qū)動方法，只實現(xiàn)簡單的扇區(qū)讀 寫。 SD 卡總線介紹 SD 存儲卡定義了兩種可選擇的總線協(xié)議，分別是 SD和 SPI。與 SD卡通信的主機一方可以透明地選擇與 SD的通信模式。 SD 卡總線 SD 總線包括以下的信號： CLK：主機與卡之間的同步時鐘； CMD：雙向的命令／反饋信號； DATo～ DAT3： 4位雙向的數(shù)據(jù)傳輸線； VDD， Vss1， Vss2：電源和地信號。 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。時鐘、電源和地信號是所有卡公用的。主機和每張 SD 卡的 CMD、 DAT0～ DAT3 信號連線必須點對點 的進行連接。 SD 總線連接圖如圖 。 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（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。 SPI 標準僅僅定義了物理連接方式，并未包括完整的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。 SD 卡的 SPI 總線實現(xiàn)方式使用了和SD 總線相同的命令集。從應用的角度來看，使用 SPI 總線模式的好處是它對主機的性能要求降至最低，另一方面，它也為產(chǎn)品設計成最小化作出了努力。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。一般而言，兼容 SD 卡的 SPI 總線包含以下 信號。 ． CS：主機到卡芯片之間的片選信號； CLK：主機與卡之間的同步時鐘； Dataln：主機到卡之間的數(shù)據(jù)輸入信號； DataOut：主機到卡之間的數(shù)據(jù)輸出信號。 圖 SPI 總線連接圖。 圖 SPI總線連接 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（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。 命令幀：命令幀用來傳輸一個操作命令的令牌。 反饋幀：反饋幀是從地址卡或者所有的連接卡發(fā)送給主機的作為對以前接 收到的命令幀做出應答的令牌。 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀用來在卡和主機之間進行真正有用的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)鏈路進 行傳輸?shù)摹?SD 總線協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸是以數(shù)據(jù)塊的方式進行的。數(shù)據(jù)塊之后通常跟著 CRC 校驗碼。 在協(xié)議中定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇梢允菃螇K和多塊傳輸。多塊傳輸在進行寫卡操作時的速度比單塊傳輸快得多。多塊傳輸會在 CMD線路上出現(xiàn)一個停止命令幀時中斷傳輸。寫操作和讀操作在時序上的不同在于數(shù)據(jù)線路 DAT0 上多了一個寫操作忙的信號。 (2)SPI 總線 雖然 SD 通道是面向有起止位的控制幀和數(shù)據(jù)流格式的傳輸，但是 SPI 通 道是面向字節(jié)的傳輸。 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。 SPI的反饋方式和 SD協(xié)議相比有以下3個方面的不同。 被選中的卡必須時刻對命令幀做出響應； 使用兩種新的響應結(jié)構(gòu) (8 位或 16 位 )； 當卡獲取數(shù)據(jù)出問題時，它將發(fā)出一個出錯反饋幀通知主機，而不是使用超時檢測的方式。除了需要對命令幀做出反饋之外，在進行寫卡操作期間，還需要對每一個發(fā)送到 卡的數(shù)據(jù)塊發(fā)一個特別的數(shù)據(jù)反饋令牌。 一個合法的數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾應當包括 16 位的 CRC 校驗部分， CRC 校驗值是按照標準的CCITT 的 x 的 16 次方 +X的 12次方 +X 的 5次方 +1產(chǎn)生的。一旦數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)錯誤，卡就不再傳輸數(shù)據(jù)，取而代之的是發(fā)送一個數(shù)據(jù)出錯令牌給主機。 在 SPI模式中也支持單塊和多塊的數(shù)據(jù)寫命令?？◤闹鳈C端接收到一個數(shù)據(jù)塊之后，它就會發(fā)一個數(shù)據(jù)響應令牌給主機，如果接收的數(shù)據(jù)經(jīng)校驗無錯，就把數(shù)據(jù)寫入卡的存儲介質(zhì)中。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。 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 40 頁 9 SD 卡的命令 SD 卡的命令格式 SD 卡的命令格式固定為 6個字節(jié) 48 個位，其格式如圖 所示。 圖 SD卡命令格式 開始位固定為 0，第二位固定為 1，表示主機給 SD 卡的命令，然后是 6位命令索引號，索引號的大小與索引號數(shù)字相同，比如 CMD0的索引號為 000000，索引號 41為 101001。緊接著命令索引號是命令參數(shù)，有些命令有參數(shù)，有些命令沒有參數(shù)，比如 CMD0和 CMD1命令參數(shù)為 32個 0，而命令 CMD2 CMD17的命令參數(shù)是數(shù)據(jù)的讀寫地址。最后是 7位CRC 校驗位和一位停止位 1。根據(jù)命令索引號可推知 SD 卡的命令最多不超過 64 個（有些命令索引號為保留以后升級用，沒有實際的命令相對應）， SD 卡協(xié)議把卡的命令分為若干類，有些命令只有對 SD 模式起作用，有些命令只對 SPI 模式起作用，大部分命令是通用的，兩種模式下具有相同的命令。 SD 卡的命令類型 (1) 命令類型 控制 SD 卡有 4種類型的命令 : 廣播命令，無響應。 廣播命令的特點是如果所有的 CMD 線與主機連接到一起。如果把它們分開，那么每張卡將在輪到它的時候單獨接收。 ② 有響應的廣播命令。 從所有卡來的響應是同時的。但 是在 SD 卡里沒有開漏模式，這個類型命令只可以使用在所有的 CMD 線是分開的情況下。這個命令將被所有的卡單獨接受并響應。 ③ 在 DAT 上沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄖ?(點對點 )命令。 ④ 在 DAT 上有數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄖ访睢? 所有的命令和響應都在 CMD 線上進行。命令傳送總是從左邊的位開始。 （ 2） SD 卡命令集 : 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 共 40 頁 10 SD 卡命令共分為 12 類，分別為 class0 到 classⅡ，不同的 SD 卡，主控根據(jù)其功能，支持不同的命令集如下： C1ass0： (卡的識別、初始化等基本命令集 )： CMD0：復位 SD 卡。 CMD1：讀 OCR寄存器。 CMD9：讀 CSD寄存器。 CMD10：讀 CTD 寄存器。 CMD12：停止讀多塊時的數(shù)據(jù)傳輸。 CMD13：讀 Cardes Status 寄存器。 Class2(讀卡命令集 )： CMD16：設置塊的長度。 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：設置擦除塊的起始地址 . CMD33：設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 mite protection bits。 Class7：卡的鎖定，解鎖功能命令集。 class8：申請?zhí)囟罴? classl0和 class11：保留。 其中 class 1, class3,class9的 SPI模式不支持。 桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 40 頁 11 3 硬件設計 系統(tǒng)整體硬件方案分為三個部分 :電源部分、單片機 STC12C5A60S2 主控芯片的DY_mini80E 開發(fā)板的選擇部分（包括信號采集、 A/D 轉(zhuǎn)換等）、帶 SD 卡的 TFT 彩屏的選擇部分（包括 SD 卡工作電路部分等 )。 設計在 Keil 編程環(huán)境下，建立工程，編寫程序，然后將程序下載到單片機中，同時復位單片機，然后調(diào)節(jié) DY_mini80E 開發(fā)板上的四路電位器采集不同的電壓信號（四路電壓范圍均 0V5V），按動采集鍵后，信號開始采集，每秒鐘各通道進行一次 A/D轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)進行處理后由單片機控制分別存入帶 SD 卡的 TFT 彩 屏的 SD 卡的相應文檔中。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。 電源模塊 SD 卡的工作電平為 ，而控制芯片 STC12C5A60S2 的邏輯電平為 5V CMOS 電平標準。因此，它們之間不能直接相連，否則可能會燒壞 SD 卡；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(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。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 4路來說是一種資源的浪費。 帶 SD卡的 TFT 彩屏模塊中包含 電壓轉(zhuǎn)換模塊。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，所以只做一個直流 5V的穩(wěn)壓電 源給系統(tǒng)供電即可，既經(jīng)濟又實用。電源電路原理圖如圖 。 圖 電源電路原理圖