Freescale單片機(jī)的SD卡數(shù)據(jù)讀寫設(shè)計(jì)

中國一汽無錫油泵油嘴研究所 楊 琛 張 雷 寇 偉 楊鵬翔 陸召振

1.引言

通過車載傳感器對發(fā)動機(jī)參數(shù)采集和存儲，Electronic Control Unit(ECU)可以判斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和工作趨勢。許多車載傳感器[1](例如燃油質(zhì)量傳感器)需要對發(fā)動機(jī)參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)控，單片機(jī)作為控制器件，其數(shù)據(jù)存儲資源十分有限。Secure Digital(SD)卡具有大容量、小體積、低功耗、非易失性以及兼容MMC卡等特點(diǎn)，是理想選擇。

部分文章已介紹了單片機(jī)(如PIC、C51等)讀寫SD卡的應(yīng)用實(shí)例[2,3]，但這些單片機(jī)在汽車領(lǐng)域使用較少。本文以Freescale公司的MC9S12XEP100[4]單片機(jī)為控制器，通過PC將圖片文件存入SD卡，并將數(shù)據(jù)送入彩色液晶上實(shí)現(xiàn)循環(huán)播放實(shí)驗(yàn)，探討了Freescale單片機(jī)對SD卡文件讀寫的設(shè)計(jì)方法，該方法可廣泛應(yīng)用于車載傳感器的數(shù)據(jù)存儲單元。

2.硬件系統(tǒng)

2.1 SD卡的硬件特性

SD卡[5]主要由存儲芯片和控制芯片組成，SD卡控制芯片負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的讀寫控制。其工作電壓為2.7-3.6V。每次對SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時的最小單位是1個扇區(qū)，即512Byte。SD卡支持兩種操作模式，SD模式和SPI模式，因單片機(jī)的IO口資源限制，大多數(shù)應(yīng)用都選擇SPI模式。

SD總線模式包含4根數(shù)據(jù)線和1根命令線，傳輸速度可達(dá)到100Mbit/s。SPI模式是4線制總線，SPI模式下的接口定義參見表1。

表1 SPI模式接口定義

2.2 Freescale單片機(jī)特點(diǎn)

Freescale推出的16位MC9S12XE系列單片機(jī)具有增強(qiáng)的系統(tǒng)集成性和更好的功能性[6]。其內(nèi)部PLL超頻能力能顯著降低對外部頻率源的主頻的需求，從而提高單片機(jī)的抗干擾能力。XGATE核能協(xié)處理I/O中斷需求，從而降低主核的任務(wù)量。另外，其具有EEPROM、FLASH以及豐富的I/O資源(例如SPI、ECT、CAN2.0等)，可滿足汽車領(lǐng)域嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境需求。

2.3 硬件系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1，單片機(jī)通過SPI總線與SD通信，并通過并口與彩色液晶模塊進(jìn)行通信。SD需由LDO電源轉(zhuǎn)換芯片供電。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

3.程序設(shè)計(jì)

SD卡的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作過程如下：a.由上位機(jī)軟件對待處理數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，生成二進(jìn)制文件。b.將文件拷入SD卡，拷貝前需要對SD卡進(jìn)行以FAT格式化，以確定存儲位置的首地址。C.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上電后，進(jìn)入SD卡讀寫程序讀取相應(yīng)文件，并進(jìn)行顯示。

單片機(jī)完成初始化后，在RAM中緩沖512 bytes，并送LCD顯示；當(dāng)i=300時，表明1幅圖像顯示完成。程序共設(shè)置了5幅圖像循環(huán)顯示，軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

3.1 SD卡初始化

系統(tǒng)上電后SD卡默認(rèn)進(jìn)入SD模式，需設(shè)置SPI模式以及單塊讀寫的數(shù)據(jù)長度。當(dāng)CS處于低電平時，發(fā)送CMD0，發(fā)送完畢后，接受R1回應(yīng)，判斷SD卡是否正確接受指令。CMD0使得SD進(jìn)入IDLE狀態(tài)，CMD1激活SD卡的初始化過程，等待R1判斷SD卡是否處于激活狀態(tài)。CMD16指令設(shè)置讀寫塊的大小為512Byte。需等待至少74個時鐘周期。初始化流程參如圖3所示。

圖3 SPI初始化流程

3.2 讀寫程序

讀程序過程如圖4所示，單片機(jī)通過CMD17指令讀取SD卡扇區(qū)數(shù)據(jù)，若成功SD卡返回R1響應(yīng)，單片機(jī)對512byte數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。寫程序過程見圖5，CMD24指令作為SD卡的寫入指令，若SD卡成功響應(yīng)則返回R1，單片機(jī)從緩存區(qū)寫入512bytes數(shù)據(jù)。

圖4 讀程序

圖5 寫程序

圖6 SD卡文件顯示效果

3.3 圖片格式

本文所使用彩色液晶分辨率[7]為QVGA，16位真彩色格式。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)圖片正常顯示，需要解決2個問題：圖像的格式和圖像數(shù)據(jù)量。一方面，F(xiàn)reescale單片機(jī)應(yīng)用通常不具備操作系統(tǒng)，因此需要將.jpg、.gif、.bmp文件轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件.bin格式。另一方面，根據(jù)彩色液晶模塊的分辨率特點(diǎn)，可根據(jù)公式(1)，得出顯示圖片的數(shù)據(jù)是：

顯然，當(dāng)需要顯示多幅圖片時對單片機(jī)的存儲開銷十分巨大，需要借助SD卡的存儲能力。由SD卡的讀寫單位是512bytes，可得出1幅圖像占用的扇區(qū)數(shù)為：

4.實(shí)驗(yàn)

本文選取MC9S12XEP100單片機(jī)搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對SD卡讀寫接口程序進(jìn)行了驗(yàn)證。由圖6可見，所設(shè)計(jì)的程序能正常讀寫SD卡文件。

5.結(jié)束語

SD卡的存儲方式可以有效的緩解單片機(jī)存儲資源有限的問題，滿足日漸復(fù)雜的各種車載設(shè)備及傳感器的數(shù)據(jù)存儲要求。本文研究了Freescale單片機(jī)對SD卡讀寫的設(shè)計(jì)方法，并通過存儲圖片數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，該方法可廣泛應(yīng)用于車載傳感器的長期數(shù)據(jù)存儲需求。

[1]呂艷,孫克.汽車電子傳感器簡述[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(Z1).

[2]張凱臨,姚玉玲,劉金濤.SD卡在PIC系列微控制器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008(24).

[3]張恒.基于AT89S52和FAT16的SD卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009(08).

[4]MC9S12XEP100 Reference Manual Covers MC9S12XE Family[M].Version 1.25,Freescale,February,2013.

[5]SanDisk Secure Digital Card Product Manual[M].Version 2.2,San-Disk Corporation,September,2004.

[6]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.

[7]應(yīng)根裕,胡文波,邱勇.平板顯示技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2002.