摘要：串行SPI通信協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。本文首先簡(jiǎn)要介紹了SPI總線模式,然后闡述了單片機(jī)在SPI協(xié)議下與SD卡硬件接口電路,以及軟件模擬的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸,最后給出了具體實(shí)現(xiàn)SD卡的初始化、FAT32文件系統(tǒng)的管理和寫(xiě)操作的軟件流程。

　　0 引言

　　SD卡英文全稱(chēng)為Secure DIGITAL Memory Card，其以FLASH Memory為存儲(chǔ)體，具備體積 小、容量大、功耗低、可擦寫(xiě)以及非易失性等特點(diǎn)，在需要長(zhǎng)時(shí)間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)時(shí)， 以SD卡作為存儲(chǔ)媒質(zhì)是一種很好的選擇。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 SPI總線

　　SPI是一種串行總線接口，主要通過(guò)三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：同步時(shí)鐘線SCK，主/從機(jī)輸 出線MISO、主/從機(jī)輸入線MOSI，還有一條低電平有效的從機(jī)片選線CS。SPI系統(tǒng)的片選信號(hào) 以及同步時(shí)鐘脈沖由主機(jī)提供。SPI模式通過(guò)四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，傳輸協(xié)議 簡(jiǎn)單，采用SPI模式對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。 SPI消息由指令、回應(yīng)和數(shù)據(jù)塊組成，所有的操作均由主設(shè)備控制。

　　SPI接口有0、1、2 和 3共四種操作模式。SPI操作模式?jīng)Q定了設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了 時(shí)鐘信號(hào)的上升和下降沿與數(shù)據(jù)流動(dòng)方向之間的關(guān)系，如圖1所示。本設(shè)計(jì)采用模式3。

　　1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　MCU采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)AT89S51，內(nèi)含4K字節(jié)的可 反復(fù)擦寫(xiě)的ROM存儲(chǔ)器和128字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器。由于SD卡的數(shù)據(jù)寫(xiě)入是以塊為單位，每塊為 512字節(jié)，所以在單片機(jī)最小系統(tǒng)上增加一片RAM。本系統(tǒng)中RAM選用存儲(chǔ)器芯片AT24C64，容 量為64K位。

　　對(duì)于不帶SPI串行總線接口的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，可以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí) 鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于 在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時(shí) 鐘輸出口P1.1的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK 時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至單片機(jī)的P1.3口（模擬MCU的MISO 線），此后再置P1.1為1，使單片機(jī)從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至 串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數(shù) 據(jù)的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過(guò)SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對(duì)于在SCK 的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接 口芯片允許時(shí)，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)），之后再 置時(shí)鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)（MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù)），從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送。[!--empirenews.page--]

　　為解決電平匹配問(wèn)題，在MCU和SD卡數(shù)據(jù)傳輸之間加了光電耦合器，其抗干擾性能和隔 離性能比較好，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。硬件電路連接如圖2所示。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 SD卡初始化

　　在SD卡上電復(fù)位后，SD卡控制器在向SD卡發(fā)送任何命令之前，應(yīng)向SD卡發(fā)送至少74個(gè)時(shí) 鐘周期，以等待SD卡完成上電復(fù)位過(guò)程，而且此時(shí)控制器應(yīng)將片選信號(hào)線置高。在上電復(fù)位 完成后，將片選信號(hào)線CS置低，即選中SD卡，且發(fā)送軟件復(fù)位指令(CMD0)，SD卡即可進(jìn)入SPI 模式，并且處于空閑狀態(tài)。若要對(duì)SD卡實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作，單片機(jī)應(yīng)持續(xù)發(fā)送激活指令CMD1，直 到收到SD卡正確的響應(yīng)數(shù)據(jù)0x00，表明SD卡已經(jīng)退出空閑狀態(tài)，可以對(duì)SD卡寄存器進(jìn)行讀／ 寫(xiě)以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸操作。

　　2.2 FAT32文件系統(tǒng)

　　FAT32文件系統(tǒng)突破了磁盤(pán)管理空間2G的界限，能夠管理更大的磁盤(pán)空間。SD卡上的 FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含分區(qū)引導(dǎo)記錄、文件分配表、文件目錄表以及數(shù)據(jù)區(qū)4個(gè)部分。[!--empirenews.page--]

　　分區(qū)引導(dǎo)記錄保存著與文件分配表系統(tǒng)有關(guān)的基本輸入、輸出系統(tǒng)參數(shù)分配表(biosparameter block，BPB)。它主要記錄文件分配表各個(gè)部分的起始扇區(qū)以及占用扇區(qū)的數(shù)目， 根目錄大小和簇的大小等重要信息。 在分區(qū)引導(dǎo)記錄之后是FAT（File Allocation Table，文件分配表）區(qū)。FAT32的文件 系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FATl和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BIOS參數(shù) 記錄塊中查得。

　　文件分配表的作用是記錄磁盤(pán)上簇的分配情況。一個(gè)文件一般需要占用很多 簇。同一個(gè)文件不一定會(huì)完整地存放在一個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)空間內(nèi)，而是分成若干段，像鏈子一樣 的存放。在文件名記錄中，首先指向文件存儲(chǔ)的鏈頭所在文件分配表簇，而該簇的文件分配 表存放下一個(gè)鏈子的文件分配表簇值，如果是文件結(jié)尾，使用一個(gè)文件結(jié)束標(biāo)志，表示到達(dá) 鏈尾，這樣就標(biāo)識(shí)了文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲(chǔ)中簇與簇之間連接信息的。

　　緊接在FAT表之后的是文件目錄表FDT，占32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可以容納16個(gè)登記項(xiàng)，每 個(gè)登記項(xiàng)的長(zhǎng)度是32字節(jié)。文件目錄表記錄文件的名稱(chēng)，通過(guò)目錄表查找已存在的文件名， 從而找到指定的文件進(jìn)行操作。每個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè)描述其屬性的結(jié)構(gòu)，定義如表1。

　　文件目錄項(xiàng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)如下：

　　Struc direntry

　　{

　　Unsigned char fName[8];

　　Unsigned char fExtension[3];

　　Unsigned char fAttributes;

　　Unsigned char fLowerCase;[!--empirenews.page--]

　　Unsigned char fCHundredth;

　　Unsigned char fCTime[2];

　　Unsigned char fCDate[2];

　　Unsigned char fADate[2];

　　Unsigned char fHighClust[2];

　　Unsigned char fMTime[2];

　　Unsigned char fMDate[2];

　　Unsigned char fLowCluster[2];

　　Unsigned char fFileSize[4];

　　}

　　文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)DATA，用來(lái)存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分的磁盤(pán)空間。數(shù)據(jù)的 讀寫(xiě)以扇區(qū)為單位，一個(gè)簇所包含的扇區(qū)數(shù)由BPB參數(shù)來(lái)決定，通過(guò)根目錄找到對(duì)應(yīng)的文件 名，格式化完成或進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，就要新建對(duì)應(yīng)文件名的文件分配表區(qū)和根目錄區(qū)，通過(guò)文 件分配表區(qū)中的保存的簇號(hào)，完成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，完成一個(gè)簇的操作后，根據(jù)文件分配表 的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，找到文件的待操作的下一個(gè)簇的簇號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的操作，直到文件結(jié)束。

　　2.3 數(shù)據(jù)塊的寫(xiě)操作

　　完成SD卡的初始化之后即可進(jìn)行它的讀寫(xiě)操作。SD卡的讀寫(xiě)操作都是通過(guò)發(fā)送SD卡命令 完成的。SPI總線模式支持單塊（CMD24）和多塊（CMD25）寫(xiě)操作。單塊寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng) 度只能是512字節(jié)。單塊寫(xiě)入時(shí)，命令為CMD24，當(dāng)應(yīng)答為0時(shí)說(shuō)明可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。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)?位為00101時(shí)，表 明數(shù)據(jù)塊被正確寫(xiě)入SD卡。多塊寫(xiě)是單塊連續(xù)寫(xiě)的循環(huán)操作，只是寫(xiě)單塊和寫(xiě)多塊開(kāi)始時(shí)的 令牌包有所不同，多塊操作是從指定位置開(kāi)始寫(xiě)下去，直到SD卡收到一個(gè)停止命令CMD12時(shí) 才停止。多塊數(shù)據(jù)寫(xiě)時(shí)序如圖3所示。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)SPI模式下SD卡寫(xiě)操作和文件系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)SD卡FAT32文件的操 作，包括文件的創(chuàng)建、寫(xiě)操作等。該課題研究在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面有著廣泛的應(yīng)用前景，項(xiàng) 目實(shí)施以來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益20萬(wàn)元。本文創(chuàng)新點(diǎn)：為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲(chǔ)的 解決方案，采集到的大量數(shù)據(jù)會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件的格式記錄到SD卡上。