基于单片机的sd卡数据操作设计毕业设计论文.docx

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基于单片机的sd卡数据操作设计毕业设计论文

大连科技学院

毕业设计（论文）

题目基于单片机的sd卡数据操作设计

摘要

许多工业现场需要数据采集器完成各类数据采集工作。

实际应用中要求数据采集器工作可靠，成本低廉，操作简单便于数据收集和分析；既要方便与PC机联机，又能独立完成数据采集、存储工作。

SD卡在现在的日常生活与工作中使用也非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。

在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。

SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。

既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。

这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。

长期以来，以FlashMemory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。

论文介绍了SD卡存储采集数据电路设计原理、电路以及程序，详细阐述了用AT89C51单片机对SD卡进行操作的过程。

关键词：

单片机sd卡串口通信

ABSTRACT

Manyindustrysiteneeddatacollectorofallkindsofdataacquisitionworkcompleted.Practicalapplicationrequestdatacollectorreliable,lowcost,easytooperate,easytodatacollectionandanalysis;BothconvenientandPConline,andindependentlycompletethedataacquisition,storagework.

SDcardiswidelyusedindailylifeandwork.Now,ithasbecomethemostcommondatastoragecard.SuchasMP3,digitalcamerasandotherequipmentarealsousingtheSDcardasthestoragedevice.SDcardissowidelyused,becauseithastheadvantagesoflowprice,theadvantagesoflargestoragecapacity,convenientuse,versatilityandstrongsafety.Sinceithassomanyadvantages,soifitisaddedtotheMCUapplicationdevelopmentsystem,willmakethesystembetter.ThisrequireshardwareandreadSDcardtowritetimestudy.

Long-termsince,toFlashMemorymemorySDcardhassmallsize,lowpowerconsumption,erasableandnon-volatilecharacteristicshavebeenwidelyusedinconsumerelectronicproducts.Especiallyinrecentyears,withfallingpricesandincreasingstoragecapacity,itsapplicationrangeisextended.Whenthedataacquisitionsystemneedsalongtimetocollect,recorddata,selecttheSDcardasstoragemediumisthedevelopersagoodchoice.

ThispaperintroducestheSDcardstoredataacquisitioncircuitdesignprinciple,circuitandprogram.ThispaperdescribesindetailtheprocessofoperationofSDcardwithAT89C51singlechipmicrocomputer.

KeyWords：

SinglechipmicrocomputerSDcardSerialportSignal

communication

1前言

SD卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理（PDA）和多媒体播放器等。

SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。

SD卡为9引脚，目的是通过把传输方式由串行变成并行，以提高传输速度。

它最大的特点就是通过加密功能，可以保证数据资料的安全保密，它还具备版权保护技术，所采用的版权保护技术是DVD中使用的CPRM技术（可刻录介质内容保护）。

大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。

近年来,单片机系统发展迅猛,这不仅体现在CPU处理能力迅速提升、外界设备与处理器交互能力快速提高,更体现在单片机系统的复杂性日益提高、系统存储容量急剧增大。

这些变化对于数据操作的灵活性提出了越来越高的要求。

因此,如何系统地、灵活地管理数据文件就成了单片机系统开发者无法回避的问题。

文件系统的使用使开发者获得“路径”的概念,从而回避了存储介质的地址空间,不用每次都从头对物理介质进行操作。

文件系统提供清晰明了的API函数,使上层应用层不再关心底层存储介质,而方便地利用标准接口访问底层存储器。

标准化的接口和层次分明的程序增加了程序的可移植性。

因此在单片机系统中植入文件系统是单片机系统发展的必然结果。

由于该系统是通过SD卡模组向SD卡写入一系列文件,这些文件需要被Windows系列操作系统正确识别,并进行读写操作,因此,我们选择了应用最为广泛的FAT16文件系统。

FAT16是Microsoft开发的文件系统,是一种技术成熟、结构简单、系统资源开销小、易于在单片机系统上的硬件平台上实现的文件系统。

它是Microsoft公司在其MS2DOS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,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。

2系统方案设计

本系统采用MCS251架构的AT89S51单片机。

AT89S51是一种低成本、低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,具有8KB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。

AT89S51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AT89S51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AT89S51的电平匹配。

SD卡的逻辑电平相当于3.3V的TTL电平标准,AT89S51的逻辑电平为5VCMOS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SD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2-1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5V电源,1个3.3V电源。

3系统硬件部分设计

3.1SD卡简介

SD卡在24mm×32mm×2.1mm的体积内结合了SanDisk快闪记忆卡控制与MLC（MultilevelCell）技术和Toshiba（东芝）0.16u及0.13u的NAND技术，通过9针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其上记忆的信息。

而且它是一体化固体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。

SD卡的技术建是基于MultiMedia卡（MMC）格式上发展而来，大小和MMC差不多，尺寸为32mmx24mmx2.1mm。

长宽和MMC一样，只是比MMC厚了0.7mm，以容纳更大容量的存贮单元。

SD卡与MMC卡保持着向上兼容，也就是说，MMC可以被新的SD设备存取，兼容性则取决于应用软件，但SD卡却不可以被MMC设备存取。

（SD卡外型采用了与MMC厚度一样的导轨式设计，以使SD设备可以适合MMC）。

SD接口除了保留MMC的7针外，还在两边加多了2针，作为数据线。

采用了NAND型FlashMemory，基本上和SmartMedia的一样，平均数据传输率能达到2MB/s。

SD卡还提供不同的速度，它是按CD-ROM的150kB/秒为1倍速的速率计算方法来计算的。

基本上，它们能够比标准CD-ROM的传输速度快6倍（900kB/秒），而高速的SD卡更能传输66x（10MB/秒）以及133x或更高的速度。

一些数码相机需要高速SD卡来更流畅地拍摄影片，和连续拍摄相片更迅速。

直至2005年12月，大部分设备跟从SD卡的1.01规格，而更高速至133x的设备亦跟从1.1规格。

设有SD卡插槽的设备能够使用较簿身的MMC卡，但是标准的SD卡却不能插入到MMC卡插槽。

SD卡能够于CF卡和PCMCIA卡上，插上转接器使用；而miniSD卡和microSD卡亦能插上转接器于SD卡插槽使用。

一些USB连接器能够插上SD卡，而且一些读卡器亦能够插上SD卡，并由许多连接埠，例如USB、FireWire等存取使用。

SD卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有着广泛的应用领域，音乐、电影、新闻等多媒体文件都可以方便地保存到SD卡中。

因此不少数码相机也开始支持SD卡。

3.1.1SD卡的使用

SD卡应用于以下的手提数码装置：

●数码相机储存相片及短片

●数码摄录机储存相片及短片

●个人数码助理（PDA）储存各类资料

●手提电话储存相片、铃声、音乐、短片等资料

●多媒体播放器

SD卡多用于MP3随身听、数码摄像机、数码相机等，也有用于笔记本电脑上。

其投影面积与MMC卡相同，只是略微厚一点，为2.1mm，但是SD卡的容量大得多，且读写速度也MMC卡快4倍。

同时，SD卡的接口与MMC卡是兼容的，支持SD卡的接口大多支持MMC卡。

目前SD卡在数码相机中正在迅速普及，大有成为主流之势。

SD卡在今年的发展很快，已经开始威胁到CF卡的市场分额了。

这是由于SD卡的体积要比CF卡小很多，并且SD卡在容量、性能和价格上和CF卡的差距越来越小，而这两年支持SD卡的手机迅速在市场走热，因此，SD卡的迅速成长绝对不是偶然的。

最重要的一点就是MMC卡也能和SD卡相兼容，这也正是SD卡迅速走红的原因之一。

不过注意的是，在某些产品例如手机上，SD卡和MMS卡是不能兼容的。

现在的SD卡容量由8MB到32GB不等。

3.1.2SD卡发展历程

在2006年，SD卡容量有8、16、32、64、128、256、或512MB，1、2、4、6、8（SDHC）GB。

SD/MMC卡已经替代东芝开发的SM卡，成为了便携式数码相机使用最广泛的数字存储卡格式。

2001年SM卡的市场占有率超过50%，但到了2005年下降到了40%左右，并且还在快速滑落。

大部分的数码相机生产商都提供了SD卡的支持，包括佳能、尼康、柯达、松下及柯尼卡美能达等。

三大主要厂商仍然在坚持使用自己的专利格式：

奥林巴斯和富士使用xD卡，索尼使用MemoryStick。

另外，SD卡还没有攻入CF卡占绝对地位的数码单镜反光相机市场。

（除2005年尼康新发布的D50支持SD。

）SD卡是东芝在MMC卡技术中加入加密技术硬件而成，由于MMC卡可能会较易让使用者复制数码音乐，东芝便加入这些技术希望令音乐业界安心。

类似的技术包括索尼的MagicGate，理论上加密技术可引入一些数码版权管理措施，但这功能甚少被应用。

用户可以使用一个USB的读卡器，在个人电脑上使用SD卡。

某些新型电脑上已经内置了读卡装置。

最新的发展是SD内建了USB插口，省略了读卡器。

SanDisk的设计是使用一个可折叠的护套来保护USB插口。

尽管Sandisk并不是第一家内建USB功能的SD卡生产商，但由于其在业内的重要地位。

这一动作带动了其他厂商跟风。

3.2单片机的介绍

AT89S51是美国ATMEL生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89S51主要功能列举如下：

①为一般控制应用的8位单芯片。

②晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）。

③内部程式存储器（ROM为4KB）。

④内部数据存储器（RAM为128B）。

⑤32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制。

⑥5个中断向量源。

⑦2组独立的16位定时器。

⑧单芯片提供位逻辑运算指令。

AT89S51管脚排列及系统所用引脚功能介绍。

管脚排列如图3-1所示,下面介绍引脚的功能。

图1-1AT89S51引脚图

1.VCC:

AT89S51电源正端输入，接+5V。

2.GND:

电源地端。

3.XTAL1:

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

4.XTAL2:

系统时钟的反相放大器输出端。

5.PORT0:

（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路漏极（OpenDrain）双向输出入端口。

P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

6.PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

7.PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

8.PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

9.P3.0：

RXD,串行通信输入。

P3.1：

TXD，串行通信输出。

P3.2：

INT0，外部中断0输入。

P3.3：

INT1，外部中断1输入。

P3.4：

T0，计时计数器0输入。

P3.5：

T1，计时计数器1输入。

P3.6：

WR：

外部数据存储器的写入信号。

P3.7：

RD，外部数据存储器的读取信号。

3.2.1单片机历史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路单片机是嵌入式系统的独立发展之路单片机是嵌入式系统的独立发展之路单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

3.2.2单片机的特点

1、具有优异的性能价格比；

2、集成度高、体积小、可靠性高；

3、控制功能强；

4、低电压、低功耗。

3.2.3单片机的基本组成

它由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来。

输入/输出引脚P0、P1、P2、P3的功能：

P0.0-P0.7:

P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它分时作低8位地址和8位双向数据总线用。

在EPROM编程时，由P0输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。

验证程序时，要求外接上拉电阻。

P0能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。

P1.0~P1.7（1~8脚）：

P1是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址。

P1能驱动4个LSTTL负载。

在8032/8052中，P1.0还相当于专用功能端T2，即定时器的计数触发输入端；P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。

P2.0~P2.7（21~28脚）：

P2也是一上带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，由它输出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证时，由它输入高8位地址。

P2可以驱动4个LSTTL负载。

P3.0~P3.7（10~17脚）：

P3也是一上带内部上拉电阻的双向I/O口。

在MCS-51中，这8个引脚还用于专门的第二功能。

P3能驱动4个LSTTL负载。

P3.0RXD（串行口输入）

P3.1TXD（串行口输出）

P3.2INT0（外部中断0输入）

P3.3INT1（外部中断1输入）

P3.4T0（定时器0的外部输入）

P3.5T1（定时器1的外部输入）

P3.6WR（片外数据存储器写选通）

P3.7RD（片外数据存储器读选通）

3.3电源模块

SD卡的工作电平为3.3V，而控制芯片的逻辑电平为5VCMOS电平标准。

因此，它们之间不能直接相连，否则可能会烧坏SD卡；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。

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4路来说是一种资源的浪费。

电源电路原理图如图3.1。

图3-1电源电路原理图

3.4单片机最小系统

单片机最小应用系统，指的是用最少的元件组成的单片机并且可以正常工作的系统，对本次设计使用单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机，晶振电路以及复位电路。

复位电路：

主要由电容串联电阻组成，结合“电容电压不能突变”的性质和图例，可以知道，每当系统一上电，RST脚则会出现由电路RC值决定的高电平。

最为典型的51单片机每当RST脚的高电平一直持续两个机器周期以上就会复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。

一般教科书推荐C取10u，R取8.2K当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。

晶振电路：

典型的晶振值取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz。

（1）复位电路的用途

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

单片机复位电路如图3-2所示。

图3-289S51最小系统图

（2）复位电路的工作原理

在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位，所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。

在电路图中，电容的大小是10uF，电阻的大小是10k。

所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间