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基于AT89S52和FAT16的SD卡读写系统设计 (1)




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  引 言

  长期以来,闪存卡(SD卡、MMC卡等)因其体积小、功耗低、容量大和非易失性等特点,在嵌入式存储领域的应用越来越广泛。特别是近年来,随着闪存技术的发展,闪存卡价格不断下降且存储容量不断提高。当数据采集系统需要长时间地采集和记录海量数据时,应用SD卡作为存储介质是很好的选择,例如电能检测、温度湿度检测、病人心肺数据记录等。FAT16文件系统是。Microsoft公司在其MS-DOS 操作系统中采用的文件系统,具有出色的文件管理性能,能被当前大多数操作系统识别。因此,将SD卡与FAT16文件系统相结合是嵌入式数据存储、记录系统的理想方案,可以将采集记录的数据直接在PC上读取和处理。本文研究和设计了基于AT89S52单片机和FAT16文件系统的SD卡读写系统。

  1 系统方案介绍

  本系统采用MCS-51架构的AT89S52单片机。AT89S52是一种低成本、低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器,具有8 KB在系统可编程Flash存储器。应用AT89S52读写SD卡,首先要确定它们之间的通信方案。SD卡有2种可选的通信协议:SD模式和SPI模式。 SD模式是SD卡的标准读写方式,选用此模式需要选择带SD卡控制接口的mcu或者额外的SD卡控制单元;SPI模式通过SPI总线完成SD卡与主控制器的通信。AT89S52没有集成SD卡控制器,为了不增加额外的SD卡控制单元硬件成本,本设计方案采用SD卡的SPI通信模式。虽然AT89S52也没有集成SPI接口模块,但可以用软件的方式模拟SPI接口时序。

  另外一个要解决的问题是SD卡与AT89S52的电平匹配。SD卡的逻辑电平相当于3.3 V的TTL电平标准,AT89S52的逻辑电平为5 V CMOS电平。

  解决电平匹配问题的原则有2条:一为输出电平器件输出的高电平的最小值,应该大于接收电平器件识别为高电平的最低电压值;另一条为输出电平器件输出低电平的最大电压值,应该小于接收电平器件识别为低电平的最高电压值。

  考虑到SsD卡在SPI工作模式下,数据的传输都是单向的,这样可以在单片机向SD卡传输数据时采用晶体管加下拉电阻的方法,基本电路如图1所示。而在 SD卡向单片机传输数据时可以采用直接连接,因为它们之间的电平刚好满足上述的电平兼容原则,既经济又实用。这个方案需要双电源供电,1个5 V电源,1个3.3 V电源。

电平转换电路

  2 AT89S52与SD卡接口电路设计

  2.1 SD卡接口规范

  SD卡工作在2.7~3.6 V电压下,图2是普通SD卡的结构示意图和引脚排列图,表1列出了各引脚在SPI模式下的定义和功能描述。主机与SD卡之间通过指令来实现交互。

普通SD卡的结构示意图和引脚排列图

各引脚在SPI模式下的定义和功能描述

  2.2 接口电路设计

  AT89S52内有256字节的RAM,由于SD卡数据的读出与写入是以块为单位的,而每块为512字节,所以需要在单片机的最小系统上扩展1片RAM。本系统选用的RAM芯片为HM62256,容量32KB。系统硬件电路如图3所示。

系统硬件电路

  3 软件设计

  3.1 FAT16文件系统

  FAT16文件系统的存储结构如图4所示。

FAT16文件系统的存储结构

  主引导记录区(Main BootRecord,MBR)位于物理磁盘第零扇区。MBR中有硬盘分区记录表(Disk Partition Table,DPT),DPT记录了各逻辑分区的相对偏移。SD卡不支持多分区,在1个SD卡中只有1个分区,因此在SD卡上的DPT只有1个分区表项被占用。系统引导记录区(DOS Boot Record,DBR)位于磁盘逻辑分区的第0扇区,是操作系统可以访问的第1个扇区,它其中包含1个称为BPB(Bios Parameter Block)的本分区参数记录表。BPB记录着本分区的根目录大小、FAT、个数、磁盘介质描述、分配单元大小等重要参数。

  DBR之后是FAT(File Allocation Table,文件分配记录表),记录文件在磁盘上的存储位置。在Windows系统中,文件存储的单位是簇而不是字节,1个文件不是连续地存放于磁盘的某一区域,而往往分成若干段,像链子一样存放。FAT表记录了每个文件的起始簇号、后继簇号和终止簇号。FAT表中的每个表项对应数据存储区中的1个簇,由于FAT表对文件管理的重要性,FAT表有1个备份。

  DIR是根目录区,紧接着第2个FAT表(FAT2)之后,记录着根目录下每个文件的起始簇号、大小等属性。操作系统根据DIR中文件的起始簇号和大小,结合FAT表来定位文件。FAT16文件系统中1个文件的存储示意图如图5所示。

FAT16文件系统中1个文件的存储示意图

  3.2 SD卡指令规范

  单片机通过相应指令与SD卡进行交互。SD卡有特定的指令格式,都是6字节长,最高有效位(MSB)传输优先,如图6所示。

SD卡指令规范

  SD卡指令的最高2位“01”是SD卡指令的开始标志,最后1位“1”是结束标志。6位的指令是SD卡的指令序号,例如CMD17的6位指令即17的二进制表示010001。指令参数占4字节,具体内容参照SD卡规范。7位CRC校检的生成多项式为G(x)=x7+x3+1。事实上SD卡在进入SPI模式后,不再通过CRC码来确认指令的传输正确与否,指令中的7为CRC校检,只在SD模式下起作用。因此仅SD卡上电后的第1条切换SPI模式指令CMd0 需要校检码,而此校检码是固定的0x95,其他指令的CRC均置1即可。SD卡响应有4种格式,不同指令对应不同响应,具体内容可参看SD卡规范。

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