單片機(jī)控制高容量安全數(shù)字卡的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李文華，龔 宸

(1.湖北仙桃職業(yè)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，湖北 仙桃 433000; 2. 華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與科學(xué)系，湖北 武漢 430000)

0 引 言

高容量安全數(shù)字卡廣泛應(yīng)用在含有視頻功能的嵌入式系統(tǒng)[1]、筆記本電腦中，對高容量安全數(shù)字卡的訪問控制成為研究的熱點(diǎn).在含有視頻拍攝功能的嵌入式系統(tǒng)中，常用SD卡 (Secure Digital Card——安全數(shù)字卡)保存系統(tǒng)拍攝的視頻，以便用計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理嵌入式系統(tǒng)中所拍攝到的數(shù)據(jù).隨著拍攝時(shí)間的增加和拍攝功能的增強(qiáng)，選用最高容量不超過2 GB的SDSC卡(Standard Capacity Secure Digital Card——標(biāo)準(zhǔn)容量安全數(shù)字卡)很難滿足系統(tǒng)對存儲卡的容量要求，客觀上需要嵌入式系統(tǒng)選用容量為4GB～32GB的SDHC卡(High Capacity Secure Digital Card——高容量安全數(shù)字卡).SDHC卡是近來按Ver2.0規(guī)范生產(chǎn)的SD卡，與按Ver1.1規(guī)范生產(chǎn)的SDSC卡存在較大的差異，為了解決嵌入式系統(tǒng)中高容量SD卡的訪問控制問題，本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，以MC9S12XS12單片機(jī)控制Apaccr(宇瞻)4GB的SD卡為例，詳細(xì)地討論SDHC卡的控制設(shè)計(jì).

1 SDHC卡與SDSC卡在使用上的主要差異

SDHC卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與SDSC卡不同，除了容量上的差異外，在使用控制上還存在著以下幾方面的差別：

(1)SDHC卡只支持塊訪問，不支持字節(jié)訪問，塊的大小固定為一個(gè)扇區(qū)512字節(jié)；SDSC卡既支持塊訪問，又支持字節(jié)訪問，塊的大小由用戶指定.

(2)SDHC卡所使用的文件系統(tǒng)是FAT32，不能在FAT12/16文件系統(tǒng)中使用；SDSC卡使用的文件系統(tǒng)是FAT12/16，在FAT32文件系統(tǒng)中也可以訪問SDSC卡.

(3)SD卡除了擁有SDSC卡的全部命令集外，還增加了許多命令.其中，SPI模式中新增加了CMD8命令，用來識別SD卡的接口類型.CMD8命令的格式與其他SPI命令的格式相同，命令代碼為0x48.

(4)塊訪問命令參數(shù)的含義不同.在SDSC卡中，6個(gè)塊訪問命令CMD17、CMD18、CMD24、CMD25、CMD32、CMD33的參數(shù)含義是SD卡的字節(jié)地址.在SDHC卡中塊訪問命令雖然也是這6個(gè)命令，但其參數(shù)的含義為SD卡的塊地址(扇區(qū)地址).

(5)初始化過程不同.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

SDHC卡是在SDSC卡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們的引腳數(shù)都是9腳，引腳分布相同，都具有SD和SPI兩種工作模式，用單片機(jī)控制SDHC卡可以采用SPI模式[2]控制.

MC9S12XS128單片機(jī)是帶有SPI口的CMOS單片機(jī)[3]，其工作電壓為3.135～5.5 V，SD卡的工作電壓為2.7～3.6 V，它們都采用3.3 V電源供電時(shí)，可用MC9S12XS128的SPI口直接控制SD卡.MC9S12XS128控制宇瞻4 GB的SDHC卡的硬件電路[4]如圖1所示.

圖1 單片機(jī)控制SD卡的硬件電路 Fig.1 Circuit of controlling SD card based on MCU

圖1中，R1為4.7 kΩ的電阻，R2為100 Ω的電阻，R3為1 MΩ的電阻，C1為0.01 μF的電容，S1為復(fù)位按鈕，C2、C3為22PF的電容，Y為16 MHz的晶振.R1、R2、C1、S1構(gòu)成了單片機(jī)的復(fù)位電路，C2、C3、Y、R3為單片機(jī)的振蕩電路.

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 SPI初始化程序

SDHC卡工作在SPI模式時(shí)，一次數(shù)據(jù)傳輸期內(nèi)CS引腳必須保護(hù)為低電平，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后需將CS置為高電平.一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸方向是，高字節(jié)在先，低字節(jié)在后.SDHC卡輸出數(shù)發(fā)生在時(shí)鐘的下降沿之后，SDHC卡接收數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù).在SDHC卡的初化過程中，SPI的時(shí)鐘頻率為100～400 kHz，初始化結(jié)束后，SPI的時(shí)鐘頻率為0～6 MHz.為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與SDHC卡通信，單片機(jī)的SPI口應(yīng)按SDHC卡的時(shí)序要求工作[5].用MC9S12XS128單片機(jī)控制宇瞻4 GB的SDHC卡時(shí)，單片機(jī)的SPI口初始化程序如下：

void SPI_Init(void)

{ MODRR =0;

MODRR_MODRR4=1; //使用PM口

DDRM|=0x38; //SCK0=1,MOSI=1,

SS0=1

DDRM &=(～0X04); //MISO=0 輸入

SPI0CR1 = 0x5E; //CPOL=1,CPHA=1

SPI0CR2 = 0x00;

SPI0BR = 0x07; //SPI速率:312.5 kHz}

3.2 SD卡的初始化程序

上電后，SD卡處于SD模式，采用SPI模式訪問SD卡時(shí)必須先將SD卡的工作模式轉(zhuǎn)換成SPI模式，然后用SPI模式命令訪問SD卡中的存儲器.初始化SD卡的的主要任務(wù)是，判斷卡槽中的SD卡是何種SD卡，并將SD卡的工作模式設(shè)置成SPI模式，如果是SDSC卡還需要設(shè)置訪問塊的大小.

初始化SD卡的方法是，上電后先用CMD0命令復(fù)位SD卡，使SD卡能接收后續(xù)的SPI模式命令，然后用CMD8命令[6]判斷SD卡的接口類型和工作條件.

在讀得CMD8命令的響應(yīng)有效后再用ACMD41命令啟動SD卡的SPI模式初始化，并檢查初始化是否結(jié)束，此處發(fā)送ACMD41命令時(shí)，應(yīng)將參數(shù)的HCS位設(shè)置成1.

在SD卡完成了SPI模式初始化后，再用CMD58命令讀OCR寄存器的內(nèi)容，并根據(jù)OCR的CCS位判斷SD卡是SDHC卡還是Ver2.0版本的SDSC卡.SDSC卡、SDHC卡通用的初始化流程圖如圖2所示.

圖2 SD卡初始化流程Fig.2 Flow chart of the SD card initialized

3.3 讀寫扇區(qū)程序

在SPI模式下，SDHC卡的讀扇區(qū)的命令是CMD17，寫扇區(qū)命令是CMD24，這2個(gè)命令也是SDSC卡在SPI模式下的讀寫扇區(qū)命令.讀扇區(qū)程序必須按照CMD17命令的時(shí)序圖編寫，寫扇區(qū)程序必須按照CMD24的時(shí)序圖編寫.考慮到SDHC卡和SDSC卡的讀寫扇區(qū)命令相同，僅僅只是參數(shù)的含義不同，可以將讀寫扇區(qū)程序編寫成SDHC卡和SDSC卡通用的程序.通用的讀扇區(qū)流程圖如圖3所示，通用的寫扇區(qū)的流程圖如圖4所示.

圖3 讀扇區(qū)流程圖Fig.3 Flow chart of reading sector

圖4 寫扇區(qū)流程圖Fig.4 Flow chart of writing sector

4 測試結(jié)果

測試主要包括2個(gè)方面，一是測試向SDHC卡寫數(shù)的功能，二是測試從SDHC卡中讀數(shù)的功能.應(yīng)用本設(shè)計(jì)中的電路和程序向宇瞻SDHC卡的第50 000扇區(qū)寫入512個(gè)0x17數(shù)據(jù)，寫數(shù)后的結(jié)果如圖5所示.

將SDHC卡的50 000扇區(qū)中的數(shù)據(jù)讀至數(shù)據(jù)組buff[512]中的結(jié)果如圖6所示.

圖6 從SDHC卡讀數(shù)的結(jié)果Fig.6 Result of reading data from SDHC card

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)通過采用MC9S12XS128單片機(jī)控制宇瞻4 GB的SDHC卡，提出了嵌入式系統(tǒng)中使用高容量SD卡的設(shè)計(jì)思路和方法，并成功地實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對SDHC的訪問控制，本設(shè)計(jì)中的電路和程序已在第五屆“飛思卡爾”杯智能汽車的調(diào)試過程得到了很好的應(yīng)用.實(shí)踐表明，本設(shè)計(jì)解決了高容量SD卡的訪問控制問題，可應(yīng)用于含有視頻拍攝功能的嵌入系統(tǒng)中和基于SD卡的嵌入式系統(tǒng)的存儲器升級.

參考文獻(xiàn):

[1] 羅肖，劉軍，楊輝.嵌入式安全存儲系統(tǒng)的研究[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(2):67-70.

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[3] 孫同景.Freescale 9S12十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 王效華，牛思先.基于單片機(jī)PWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(1)：94-98.

[5] 李文華.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)(C語言版)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[6] SD卡委員會.SD specifications part1(physicial layer smplified specification version 3.01)[R]. Technical Committee SD Card Assiociation,2010(5):113-116.