基于AT89C52单片机的SD卡读写设计
长期以来，以flash memory为存储体的sd卡因具备体积小、功耗低、可擦写以及非易失性等特点而被广泛应用于消费类电子产品中。特别是近年来，随着价格不断下降且存储容量不断提高，它的应用范围日益增广。当数据采集系统需要长时间地采集、记录海量数据时，选择sd卡作为存储媒质是开发者们一个很好的选择。在电能监测以及无功补偿系统中，要连续记录大量的电压、电流、有功功率、无功功率以及时间等参数，当单片机采集到这些数据时可以利用sd作为存储媒质。本文主要介绍了sd卡在电能监测及无功补偿数据采集系统中的应用方案。
设计方案
应用at89c52读写sd卡有两点需要注意。首先，需要寻找一个实现at89c52单片机与sd卡通讯的解决方案；其次，sd卡所能接受的逻辑电平与at89c52提供的逻辑电平不匹配，需要解决电平匹配问题。
通讯模式
sd卡有两个可选的通讯协议：sd模式和spi模式。sd模式是sd卡标准的读写方式，但是在选用sd模式时，往往需要选择带有sd卡控制器接口的mcu，或者必须加入额外的sd卡控制单元以支持sd卡的读写。然而，at89c52单片机没有集成sd卡控制器接口，若选用sd模式通讯就无形中增加了产品的硬件成本。在sd卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用spi模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在spi模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换，并且目前市场上很多mcu都集成有现成的spi接口电路，采用spi模式对sd卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。
虽然at89c52不带sd卡硬件控制器，也没有现成的spi接口模块，但是可以用软件模拟出spi总线时序。本文用spi总线模式读写sd卡。
电平匹配
sd卡的逻辑电平相当于3.3v ttl电平标准，而控制芯片at89c52的逻辑电平为5v cmos电平标准。因此，它们之间不能直接相连，否则会有烧毁sd卡的可能。出于对安全工作的考虑，有必要解决电平匹配问题。
要解决这一问题，最根本的就是解决逻辑器件接口的电平兼容问题，原则主要有两条：一为输出电平器件输出高电平的最小电压值，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。
一般来说，通用的电平转换方案是采用类似sn74alvc4245的专用电平转换芯片，这类芯片不仅可以用作升压和降压，而且允许两边电源不同步。但是，这个方案代价相对昂贵，而且一般的专用电平转换芯片都是同时转换8路、16路或者更多路数的电平，相对本系统仅仅需要转换3路来说是一种资源的浪费。
考虑到sd卡在spi协议的工作模式下，通讯都是单向的，于是在单片机向sd卡传输数据时采用晶体管加上拉电阻法的方案，基本电路如图1所示。而在sd卡向单片机传输数据时可以直接连接，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（一个5v电源、一个3.3v电源供电），3.3v电源可以用ams1117稳压管从5v电源稳压获取。
硬件接口设计
sd卡提供9pin的引脚接口便于外围电路对其进行操作，9pin的引脚随工作模式的不同有所差异。在spi模式下，引脚1（dat3）作为spi片选线cs用，引脚2（cmd）用作spi总线的数据输出线mosi，而引脚7（dat0）为数据输入线miso，引脚5用作时钟线（clk）。除电源和地，保留引脚可悬空。
本文中控制sd卡的mcu是atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机at89c52，内含8k字节的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机存储数据存储器。由于at89c52只有256字节的数据存储器，而sd卡的数据写入是以块为单位，每块为512字节，所以需要在单片机最小系统上增加一片ram。本系统中ram选用存储器芯片hm62256，容量为32k。对ram进行读写时，锁存器把低8位地址锁存，与p2口的8位地址数据构成16位地址空间，从而可使sd卡一次读写512字节的块操作。系统硬件图如图2所示。
软件设计
spi工作模式
sd卡在上电初期自动进入sd总线模式，在此模式下向sd卡发送复位命令cmd0。如果sd卡在接收复位命令过程中cs低电平有效，则进入spi模式，否则工作在sd总线模式。
对于不带spi串行总线接口的at89c52单片机来说，用软件来模拟spi总线操作的具体做法是：将p1.5口（模拟clk线）的初始状态设置为1，而在允许接收后再置p1.5为0。这样，mcu在输出1位sck时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至at89c52单片机的p1.7（模拟miso线），此后再置p1.5为1，使单片机从p1.6（模拟mosi线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便完成。此后再置p1.5为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过spi总线传输8位数据的操作。
本文的实现程序把spi总线读写功能集成在一起，传递的val变量既是向spi写的数据，也是从spi读取的数据。具体程序如下：（程序是在keil uvision2的编译环境下编写）
sbit cs=p3^5;
sbit clk= p1^5;
sbit datai=p1^7;
sbit datao=p1^6;
#define sd_disable() cs=1 //片选关
#define sd_enable() cs=0 //片选开
unsigned char spi_transferbyte(unsigned char val)
{
unsigned char bitcounter;
for(bitcounter=8; bicounter!=0; bitcounter--)
{ clk=0;
datai=0; // write
if(val&0x80) datai=1;
val<<=1;
clk=1;
if(datao)val|=1; // read
}
clk=0;
return val;
}
sd卡的初始化
对sd卡进行操作首先要对sd卡进行初始化，初始化的过程中设置sd卡工作在spi模式，其流程图如图3所示。
在复位成功之后可以通过cmd55和acmd41判断当前电压是否在工作范围内。主机还可以继续通过cmd10读取sd卡的cid寄存器，通过cmd16设置数据block长度，通过cmd9读取卡的csd寄存器。从csd寄存器中，主机可获知卡容量，支持的命令集等重要参数。sd卡初始化的c语言程序如下：
unsigned char sd_init(void)
{ unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
for (i=0;i<0x0f;i++)
{ spi_transferbyte(0xff); //延迟74个以上的时钟
}
sd_enable(); //开片选
spi_transferbyte(sd_reset); //发送复位命令
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x95);
spi_transferbyte(0xff);
spi_transferbyte(0xff);
retry=0;
do{ temp=write_command_sd(sd_init,0);
//发送初始化命令
retry++;
if(retry==100) //重试100次
{sd_disable(); //关片选
return(init_cmd1_error);
//如果重试100次失败返回错误号
}
}while(temp!=0);
sd_disable(); //关片选
return(true); //返回成功
}
数据块的读写
完成sd卡的初始化之后即可进行它的读写操作。sd卡的读写操作都是通过发送sd卡命令完成的。spi总线模式支持单块（cmd24）和多块（cmd25）写操作，多块操作是指从指定位置开始写下去，直到sd卡收到一个停止命令cmd12才停止。单块写操作的数据块长度只能是512字节。单块写入时，命令为cmd24，当应答为0时说明可以写入数据，大小为512字节。sd卡对每个发送给自己的数据块都通过一个应答命令确认，它为1个字节长，当低5位为00101时，表明数据块被正确写入sd卡。
在需要读取sd卡中数据的时候，读sd卡的命令字为cmd17，接收正确的第一个响应命令字节为0xfe，随后是512个字节的用户数据块，最后为2个字节的crc验证码。
可见，读写sd卡的操作都是在初始化后基于sd卡命令和响应完成操作的，写、读sd卡的程序流程图如图4和图5所示。
结束语
实验结果表明单片机使用12mhz的晶体振荡器时，读写速度和功耗都基本令人满意，可以应用于对读写速度要求不高的情况下。本文详细阐述了用at89c52单片机对sd卡进行操作的过程，提出了一种不带sd卡控制器，mcu读写sd卡的方法，实现了sd卡在电能监测及无功补偿数据采集系统中的用途。
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通讯模式
sd卡有两个可选的通讯协议：sd模式和spi模式。sd模式是sd卡标准的读写方式，但是在选用sd模式时，往往需要选择带有sd卡控制器接口的mcu，或者必须加入额外的sd卡控制单元以支持sd卡的读写。然而，at89c52单片机没有集成sd卡控制器接口，若选用sd模式通讯就无形中增加了产品的硬件成本。在sd卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用spi模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在spi模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换，并且目前市场上很多mcu都集成有现成的spi接口电路，采用spi模式对sd卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。
虽然at89c52不带sd卡硬件控制器，也没有现成的spi接口模块，但是可以用软件模拟出spi总线时序。本文用spi总线模式读写sd卡。
电平匹配
sd卡的逻辑电平相当于3.3v ttl电平标准，而控制芯片at89c52的逻辑电平为5v cmos电平标准。因此，它们之间不能直接相连，否则会有烧毁sd卡的可能。出于对安全工作的考虑，有必要解决电平匹配问题。
要解决这一问题，最根本的就是解决逻辑器件接口的电平兼容问题，原则主要有两条：一为输出电平器件输出高电平的最小电压值，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。
一般来说，通用的电平转换方案是采用类似sn74alvc4245的专用电平转换芯片，这类芯片不仅可以用作升压和降压，而且允许两边电源不同步。但是，这个方案代价相对昂贵，而且一般的专用电平转换芯片都是同时转换8路、16路或者更多路数的电平，相对本系统仅仅需要转换3路来说是一种资源的浪费。
考虑到sd卡在spi协议的工作模式下，通讯都是单向的，于是在单片机向sd卡传输数据时采用晶体管加上拉电阻法的方案，基本电路如图1所示。而在sd卡向单片机传输数据时可以直接连接，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（一个5v电源、一个3.3v电源供电），3.3v电源可以用ams1117稳压管从5v电源稳压获取。
硬件接口设计
sd卡提供9pin的引脚接口便于外围电路对其进行操作，9pin的引脚随工作模式的不同有所差异。在spi模式下，引脚1（dat3）作为spi片选线cs用，引脚2（cmd）用作spi总线的数据输出线mosi，而引脚7（dat0）为数据输入线miso，引脚5用作时钟线（clk）。除电源和地，保留引脚可悬空。
本文中控制sd卡的mcu是atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机at89c52，内含8k字节的可反复擦写的只读程序存储器和256字节的随机存储数据存储器。由于at89c52只有256字节的数据存储器，而sd卡的数据写入是以块为单位，每块为512字节，所以需要在单片机最小系统上增加一片ram。本系统中ram选用存储器芯片hm62256，容量为32k。对ram进行读写时，锁存器把低8位地址锁存，与p2口的8位地址数据构成16位地址空间，从而可使sd卡一次读写512字节的块操作。系统硬件图如图2所示。
软件设计
spi工作模式
sd卡在上电初期自动进入sd总线模式，在此模式下向sd卡发送复位命令cmd0。如果sd卡在接收复位命令过程中cs低电平有效，则进入spi模式，否则工作在sd总线模式。
对于不带spi串行总线接口的at89c52单片机来说，用软件来模拟spi总线操作的具体做法是：将p1.5口（模拟clk线）的初始状态设置为1，而在允许接收后再置p1.5为0。这样，mcu在输出1位sck时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至at89c52单片机的p1.7（模拟miso线），此后再置p1.5为1，使单片机从p1.6（模拟mosi线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便完成。此后再置p1.5为0，模拟下1位数据的输入输出，依此循环8次，即可完成1次通过spi总线传输8位数据的操作。
本文的实现程序把spi总线读写功能集成在一起，传递的val变量既是向spi写的数据，也是从spi读取的数据。具体程序如下：（程序是在keil uvision2的编译环境下编写）
sbit cs=p3^5;
sbit clk= p1^5;
sbit datai=p1^7;
sbit datao=p1^6;
#define sd_disable() cs=1 //片选关
#define sd_enable() cs=0 //片选开
unsigned char spi_transferbyte(unsigned char val)
{
unsigned char bitcounter;
for(bitcounter=8; bicounter!=0; bitcounter--)
{ clk=0;
datai=0; // write
if(val&0x80) datai=1;
val<<=1;
clk=1;
if(datao)val|=1; // read
}
clk=0;
return val;
}
sd卡的初始化
对sd卡进行操作首先要对sd卡进行初始化，初始化的过程中设置sd卡工作在spi模式，其流程图如图3所示。
在复位成功之后可以通过cmd55和acmd41判断当前电压是否在工作范围内。主机还可以继续通过cmd10读取sd卡的cid寄存器，通过cmd16设置数据block长度，通过cmd9读取卡的csd寄存器。从csd寄存器中，主机可获知卡容量，支持的命令集等重要参数。sd卡初始化的c语言程序如下：
unsigned char sd_init(void)
{ unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
for (i=0;i<0x0f;i++)
{ spi_transferbyte(0xff); //延迟74个以上的时钟
}
sd_enable(); //开片选
spi_transferbyte(sd_reset); //发送复位命令
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x00);
spi_transferbyte(0x95);
spi_transferbyte(0xff);
spi_transferbyte(0xff);
retry=0;
do{ temp=write_command_sd(sd_init,0);
//发送初始化命令
retry++;
if(retry==100) //重试100次
{sd_disable(); //关片选
return(init_cmd1_error);
//如果重试100次失败返回错误号
}
}while(temp!=0);
sd_disable(); //关片选
return(true); //返回成功
}
数据块的读写
完成sd卡的初始化之后即可进行它的读写操作。sd卡的读写操作都是通过发送sd卡命令完成的。spi总线模式支持单块（cmd24）和多块（cmd25）写操作，多块操作是指从指定位置开始写下去，直到sd卡收到一个停止命令cmd12才停止。单块写操作的数据块长度只能是512字节。单块写入时，命令为cmd24，当应答为0时说明可以写入数据，大小为512字节。sd卡对每个发送给自己的数据块都通过一个应答命令确认，它为1个字节长，当低5位为00101时，表明数据块被正确写入sd卡。
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结束语
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