【正文】 23 SD 卡存儲(chǔ)時(shí)間和電壓流程圖 ....................................................................................24 定時(shí)器 T0 函數(shù)流程圖 ...............................................................................................24 主體程序流程圖 ........................................................................................................25 5 結(jié)論 ........................................................................................................................................27 謝 辭 ........................................................................................................................................28 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................29 附 錄 ....................................................................................................................................30 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 40 頁(yè) 1 引言 微電子技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過(guò)程，這種創(chuàng)新包括理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的創(chuàng)新，每一種創(chuàng)新都能開(kāi)拓出一個(gè)新的領(lǐng)域，帶來(lái)新的市場(chǎng)，產(chǎn)生重大的影響。 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。在眾多廠商推動(dòng)下 ， SD 卡已成為目前消費(fèi)數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種存儲(chǔ)卡。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)。特別是近年來(lái)，隨著價(jià)格不斷下降且存儲(chǔ)容量不斷提高，它的應(yīng)用范圍日益增廣。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)。在讀寫 SD卡中，單片機(jī)比 PC 機(jī)更適合在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間工 作?；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)行讀寫操作。因此，如何解決 51 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)存取 SD 卡大容量數(shù)據(jù)就顯得很有實(shí)際意義。 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)。 SD 卡（ Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全 數(shù)碼卡 ，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理 (PDA)和多媒體播放器等。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。 主要 研究?jī)?nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路 設(shè)計(jì)研究的是 SD 卡與單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì) ，因此首要的任務(wù)是 尋找一個(gè)實(shí)現(xiàn)AT89C52 單片機(jī)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(wèn)題。 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。在 SD 卡數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間 要求不是很嚴(yán)格的情況下，選用 SPI 模式可以說(shuō)是一種最佳的解決方 案。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。要解決這一問(wèn)題，最根本的就是解決邏輯器件接口的電平兼容問(wèn)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(shí)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(shí)別為低電平的最高電壓值。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的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。根據(jù)實(shí)際 情況，本課題使用的是 AT89C52 單片機(jī) ， SD 卡為SanDisk 公司的 2G 卡， 編程語(yǔ)言為 C語(yǔ)言 ， Keil +Proteus 用于 程序代碼的編輯、編譯及系統(tǒng)仿真 。 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。 SPI 模式只用到 CS片選、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、時(shí)鐘、電源地及電源六根線。 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。三是內(nèi)部寄存器組 OCR、 CID、 RCA 等。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)，其主要操作有寫命令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)等。 SD 卡 SPI 模式工作介紹 （ 1） SD 卡 SPI 模式下與單片機(jī)的連接圖 如圖 圖 SD卡 SPI模式下與單片機(jī)連接圖 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 共 40 頁(yè) 6 SD 卡支持兩種總線方式： SD 方式與 SPI 方式。而 SPI 方式采用 4 線制，使用 CS、 CLK、 DataIn、 DataOut進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。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。 （ 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。然而，它也有不好的地方，如失去了 SD 卡的性能優(yōu)勢(shì)，要解決這一問(wèn)題，就要用 SD 方式，因?yàn)樗峁└蟮目偩€數(shù)據(jù)帶寬。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。與 SD卡通信的主機(jī)一方可以透明地 選擇與 SD的通信模式。 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。主機(jī)和每張 SD 卡的 CMD、 DAT0～ DAT3 信號(hào)連線必須點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的進(jìn)行連接。 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。 SD 卡的 SPI 總線實(shí)現(xiàn)方式使用了和SD 總線相同的命令集。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)。 ． CS：主機(jī)到卡芯片之間的片選信號(hào)； CLK：主機(jī)與卡之間的同步時(shí)鐘； Dataln：主機(jī)到卡之 間的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)； DataOut：主機(jī)到卡之間的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。 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。 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(jī)的作為對(duì)以前接收到的命令幀做出應(yīng)答的令牌。數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路進(jìn) 行傳輸?shù)摹?shù)據(jù)塊之后通常跟著 CRC 校驗(yàn)碼。多塊傳輸在進(jìn)行寫卡操作時(shí)的速度比單塊傳輸快得多。寫操作和讀操作在時(shí)序上的不同在于數(shù)據(jù)線路 DAT0 上多了一個(gè)寫操作忙的信號(hào)。 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)。 被選中的卡必須時(shí)刻對(duì)命令幀做出響應(yīng)； 使用兩種新的響應(yīng)結(jié)構(gòu) (8 位或 16 位 )； 當(dāng)卡獲取數(shù)據(jù)出問(wèn)題時(shí)，它將發(fā)出一個(gè)出錯(cuò)反饋幀通知主機(jī)，而不是使用超時(shí)檢測(cè)的方式。 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。 在 SPI模式中也支持單塊和多塊的數(shù)據(jù)寫命令。如果卡正在忙于往存儲(chǔ)介質(zhì)中寫數(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)。 圖 SD卡命令格式 開(kāi)始位固定為 0，第二位固定為 1，表示主機(jī)給 SD 卡的命令，然后是 6位命令索引號(hào)，索引號(hào)的大小與索引號(hào)數(shù)字相同，比如 CMD0的索引號(hào)為 000000，索引號(hào) 41為 101001。最后是 7位CRC 校驗(yàn)位和一位停止位 1。 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(wú)響應(yīng)。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。 從所有卡來(lái)的響應(yīng)是同時(shí)的。這個(gè)命令將被所有的卡單獨(dú)接受并響應(yīng)。 ④ 在 DAT 上有數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄖ访?。命令傳送總是從左邊的位開(kāi)始。 CMD1：讀 OCR寄存器。 CMD10：讀 CTD 寄存器。 CMD13：讀 Cardes Status 寄存器。 CMD17：讀單塊。 Class4(寫卡命令集 )： CMD24：寫單塊。 CMD27：寫 CSD 寄存器。 CMD38：擦除所選擇的塊。 CMD29：擦除寫保護(hù)塊的地址。 Class7：卡的鎖定，解鎖功能命令集。 classl0和 class11：保留。 桂林航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 共 40 頁(yè) 11 3 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體硬件方案分為三個(gè)部分 :電源部分、單片機(jī) STC12C5A60S2 主控芯片的DY_mini80E 開(kāi)發(fā)板的選擇部分（包括 信號(hào)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 )。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。因此，它們之間不能直接相連，否則可能會(huì)燒壞 SD 卡；出于對(duì)安全工作的考慮，有必要解決電平匹配問(wèn)題。 一般來(lái)說(shuō)，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。 帶 SD卡的 TFT 彩屏模塊中包含 電壓轉(zhuǎn)換模塊。電源電路原理圖如圖 。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。下面圖 STC12C5A60S2 單片機(jī)的 引腳 圖。內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路 ,2路 PWM,8路高速 10位 A/D轉(zhuǎn)換 (250K/S，即 25bit/s),對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 5%, 單片機(jī)為 ，誤差為177。 5% 到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。 15. 外部中斷 I/O口 7路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒， INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ), CCP1/(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )16. PWM(2 路） / PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列 ,2路） 也可用來(lái)當(dāng) 2 路 D/A 使用 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 ) 17. A/D 轉(zhuǎn)換 , 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘