卡存儲采集數(shù)據(jù)電路設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、NO：桂林航天工業(yè)學院畢業(yè)論文題目：SD卡存儲采集數(shù)據(jù)電路設(shè)計專業(yè)：電子信息工程技術(shù)姓名：李強 學號：201004520330指導(dǎo)教師：陳錫華 2013年06月10日 摘 要隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成電路組成的電子系統(tǒng)集成度越來越高，使得芯片的復(fù)雜性不斷上升,單片的成本卻不斷降低。FPGA產(chǎn)品的邏輯單元越來越多，性能越來越高，單位成本和功耗向越來越低的方向發(fā)展，使得可編程片上系統(tǒng)SOPC(System OnProgrammable Chip)設(shè)計成為必然趨勢。SD存儲卡因具備體積小、儲容量高、可擦寫、價格低以及非易失性等特點被廣泛應(yīng)用于手機、數(shù)碼相機、MP3播放器等領(lǐng)域。針對傳統(tǒng)方法中&#

2、1048577;單片機(MCU )讀寫SD卡數(shù)據(jù)時需要執(zhí)行復(fù)雜的文件分區(qū)表數(shù)據(jù)操作􀀁的缺點, 以LED護欄管顯示屏技術(shù)要求為例, 提出了一種單片機主從系統(tǒng)中快速、簡單的SD卡存儲器的訪問方法, 并給出了一種實用的SD卡與單片機連接的接口電路。采用該方法讀取SD卡控制數(shù)據(jù)與存儲文件的分區(qū)表格式無關(guān), 因此支持FAT32、NTFS、exFAT等文件格式下從16MB 32 GB的SD卡。該方法對需從SD卡中連續(xù)讀取控制數(shù)據(jù)的主、從控制系統(tǒng)均適用, 有很強的實用性。該方法在LED護欄管顯示屏控制器產(chǎn)品中得到應(yīng)用, 應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)穩(wěn)定, 控制效果良好。論文介紹了SD卡存儲采

3、集數(shù)據(jù)電路設(shè)計原理、電路以及程序，闡述了基于STC12C5A60S2芯片主控的DY_mini80E開發(fā)板實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的SD存儲的設(shè)計電路過程和實現(xiàn)方法以及運行得到的結(jié)果分析。該系統(tǒng)能同時采集四路周期信號波形，并將四路模擬電壓（0-5V）進行A/D轉(zhuǎn)換，每秒鐘轉(zhuǎn)換一次，結(jié)果轉(zhuǎn)換為ASCII碼形式，且四路結(jié)果分別存儲到SD卡預(yù)先建立好的CH1.txt、CH2.txt、CH3.txt、CH4.txt文檔中。設(shè)計在STC12C5A60S2主控芯片的DY_mini80E開發(fā)板上，利用開發(fā)板上A/D轉(zhuǎn)換模塊PCF8591，外接SD接口模塊，完成了調(diào)試實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；STC12C5A60S2

4、；SD卡；AbstractElectronic systems integration is increasing of Integrated circuit components with the Bureau of the rapid development of microelectronic technology，The rapid development of microelectronic technology and the high integration IC，makes the chip more complexity with lower cost ever than b

5、eforWhile FPGA is being developed in the direction which contents more and more logic elements，with high performance，low cost and low powerSo，SOPCtechnology becomes all inevitable trendThe Card SD with small size high storage capacityrewritable，low prices，as well as non-volatile and other characteri

6、stics have been widely used in mobile phones，digital cameras，MP3 players and other fieldsIn order to reduce the difficulty of secure digital memory card operation in microcontroller unit (MCU) system, a simple SD card driven method and interface circuitw as introduced. This method is independent of

7、partition tab le, so it susta insall kinds of SD card and partition formats, including FAT32, NTFS, ex FAT form at from 16MByte to 32 GByteSD card. It can be appropriate for Masterslave control system using SD card. This method was used in LED display controller system. The application results indic

8、ate that the system achieves good effec.tThis paper introduces the SD card store data acquisition circuit design principle, circuit and program, this paper expounds the main control based on STC12C5A60S2 chip DY_mini80E development board realize data acquisition and data storage SD circuit design pr

9、ocess and the realization methods and operation result analysis. The system can also collecting four ways of periodic signal waveform, and will be four road simulation voltage (0-5 V) for A/D conversion, every second conversion once, result into ASCII form, and four road respectively to the storage

10、SD card established beforehand good CH1. TXT, CH2. TXT, CH3. TXT, CH4. TXT documents. The design of the main control chip in STC12C5A60S2 DY_mini80E development board, using the developed on board A/D conversion module PCF8591, external SD interface module, completed the debugging realized.Keyword:D

11、ata collection;STC12C5A60S2; SD card; 目錄引言11方案論證與選擇21.1 題目來源21.2 研究目的和意義21.3 主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路22 SD卡簡介42.1 SD卡的系統(tǒng)概念42.1.1 SD卡的結(jié)構(gòu)42.1.2 SD卡的引腳定義52.1.3 SD卡SPI模式工作介紹52.2 SD卡總線介紹62.2.1 SD卡總線62.2.2 SPI總線72.2.3 總線協(xié)議82.3 SD卡的命令92.3.1 SD卡的命令格式92.3.2 SD卡的命令類型93 硬件設(shè)計113.1 電源模塊113.2 單片機最小系統(tǒng)12單片機原理圖及其特性123

12、.2.2 STC12C5A60S2系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)143.2.3 單片機STC12C5A60S2最小系統(tǒng)的組成143.2.4 帶SD卡的TFT彩屏174 軟件設(shè)計194.1軟件設(shè)計目標194.2 Keil軟件簡介194.3 Keil軟件調(diào)試功能194.4 系統(tǒng)設(shè)計20系統(tǒng)初始化204.4.2 SD卡初始化224.4.3 數(shù)據(jù)塊的讀寫234.4.4 SD卡存儲時間和電壓流程圖24定時器T0函數(shù)流程圖24主體程序流程圖255 結(jié)論27謝辭28參考文獻29附錄30引言微電子技術(shù)的發(fā)展是一個不斷創(chuàng)新的過程，這種創(chuàng)新包括理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的創(chuàng)新，每一種創(chuàng)新都能開拓出一個新的領(lǐng)域，帶來新的市場，

13、產(chǎn)生重大的影響。現(xiàn)今對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求日趨增高，大量的采集數(shù)據(jù)使得很多采集系統(tǒng)都需要借助外部存儲介質(zhì)進行數(shù)據(jù)存儲，因此對于外部介質(zhì)存儲容量以及傳輸速度的要求顯得尤為突出。SD 卡作為一種基于半導(dǎo)體閃存工藝的存儲卡， 1999 年由日本松下、東芝和美國SanDisk 公司共同研制完成。其體積小、容量大以及數(shù)據(jù)傳輸快等優(yōu)點，是眾多電子設(shè)備理想的外部存儲介質(zhì)。在眾多廠商推動下，SD 卡已成為目前消費數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種存儲卡。為使采集數(shù)據(jù)可直接在PC 上讀取、處理，需要使用文件系統(tǒng)組織數(shù)據(jù)格式，文件系統(tǒng)即操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是對文件的管理規(guī)則，也是操作系統(tǒng)的重要

14、組成部分。而操作系統(tǒng)對處理器要求較高，且占用一定的存儲空間，對于許多無法使用嵌入操作系統(tǒng)的處理器，需要自己來實現(xiàn)文件系統(tǒng)在處理器中內(nèi)嵌文件系統(tǒng)。長期以來，以Flash Memory 為存儲體的SD 卡因具備體積小、功耗低、可擦寫以及非易失性等特點而被廣泛應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品中。特別是近年來，隨著價格不斷下降且存儲容量不斷提高，它的應(yīng)用范圍日益增廣。當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長時間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)時，選擇SD 卡作為存儲媒質(zhì)是開發(fā)者們一個很好的選擇。在電能監(jiān)測以及無功補償系統(tǒng)中，要連續(xù)記錄大量的電壓、電流、有功功率、無功功率以及時間等參數(shù)，當單片機采集到這些數(shù)據(jù)時可以利用SD 作為存儲媒質(zhì)。單片機是

15、智能化模塊，有數(shù)據(jù)存儲、讀寫的功能，并且支持匯編和C語言編程，在工作電壓穩(wěn)定的條件下可以實現(xiàn)長時間穩(wěn)定的工作，而且還具有價格低廉的優(yōu)勢。在讀寫SD卡中，單片機比PC機更適合在現(xiàn)場長時間工作。而STC12C5A60S2系列單片機價格便宜、性能穩(wěn)定?；诖颂攸c，設(shè)計采用PCF8591進行A/D轉(zhuǎn)換，用STC12C5A60S2單片機對SD卡進行讀寫操作。1方案論證與選擇1.1 題目來源SD存儲卡在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛，但SD卡接口一般僅集成以ARM為代表的32位處理器中，而大量運用的51單片機則由于資源限制沒有該接口。因此，如何解決51單片機應(yīng)用系統(tǒng)存取SD卡大容量數(shù)據(jù)就顯得很有實際意義。1.

16、2研究目的和意義目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。51單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例

17、如數(shù)碼相機、個人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。SD卡由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發(fā)研制。大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2克，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。本設(shè)計是通過對51單片機與SD卡的驅(qū)動接口進行設(shè)計，實現(xiàn)普通單片機對大量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存。1.3 主要研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路設(shè)計研究的是SD卡與單片機的驅(qū)動接口設(shè)計，因此首要的任務(wù)是尋找一個實現(xiàn)AT89C52單片機與SD卡通訊的解決方案；其次，SD卡所能接受的邏輯電平與AT89C52提供的邏輯電平不匹配，需要解決電平匹配問題。SD卡有兩個可選的

18、通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式需要選擇帶有SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入額外的SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫。AT89C52單片機沒有集成SD卡控制器接口，若選用SD模式通訊就無形中增加了產(chǎn)品的硬件成本。在SD卡數(shù)據(jù)讀寫時間要求不是很嚴格的情況下，選用SPI模式可以說是一種最佳的解決方案。因為在SPI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前市場上很多MCU都集成有現(xiàn)成的SPI接口電路，采用SPI模式對SD卡進行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設(shè)計。雖然AT89C52不帶SD卡硬件控制器，也沒有現(xiàn)成的SPI接口模塊，但是可以用軟件模擬出SPI總線時序。SD卡的邏輯電平

19、相當于3.3V TTL電平標準，而控制芯片AT89C52的邏輯電平為5V CMOS電平標準。要解決這一問題，最根本的就是解決邏輯器件接口的電平兼容問題，原則主要有兩條：一為輸出電平器件輸出高電平的最小電壓值，應(yīng)該大于接收電平器件識別為高電平的最低電壓值；另一條為輸出電平器件輸出低電平的最大電壓值，應(yīng)該小于接收電平器件識別為低電平的最高電壓值。考慮到SD卡在SPI協(xié)議的工作模式下，通訊都是單向的，于是在單片機向SD卡傳輸數(shù)據(jù)時采用晶體管加上拉電阻法的方案。而在SD卡向單片機傳輸數(shù)據(jù)時可以直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟又實用。其次是硬件平臺和軟件平臺的選擇，包括單片

20、機和SD卡選型、編程語言、軟件開發(fā)工具、軟件仿真工具等。根據(jù)實際情況，本課題使用的是AT89C52單片機，SD卡為SanDisk公司的2G卡，編程語言為C語言，Keil +Proteus用于程序代碼的編輯、編譯及系統(tǒng)仿真。2 SD卡簡介2.1 SD卡的系統(tǒng)概念 SD卡的結(jié)構(gòu)SD卡的外形與接口如圖2.1，它有9個接點與主機相連，其接口端定義如表2.1所示。SD卡有兩種操作模式，一種是SD模式，另一種是SPI模式，不同模式下端口的定義不同。SD模式有一個時鐘線、一個命令/反饋線、四根輸入/輸出信號線、兩個電源地和一個電源，所有九根線都有定義，數(shù)據(jù)傳輸速率較快。SPI模式只用到CS片選、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)

21、據(jù)輸出、時鐘、電源地及電源六根線。SPI模式較SD模式速度較慢，但很多單片機都有專用的SPI總線，可與SD卡直接相連，使用方便。SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，主要有四部分組成，一是接口電路，共有九個接口電路，定義如表1所示。二是接口控制電路，所有操作都由該控制電路具體去執(zhí)行。三是內(nèi)部寄存器組OCR、CID、RCA等。四是存儲數(shù)據(jù)的存儲單元。接口電路通過控制電路與內(nèi)部寄存器組成存儲單元交換數(shù)據(jù)，其主要操作有寫命令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)等。 圖2.1 SD卡的外形與接口 圖2.2 SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)SD卡的引腳定義SD卡的引腳定義見表2.1表2.1 SD卡引腳功能詳述引腳編號SD模式 

22、       SPI模式名稱類型描述名稱類型描述1CD/DAT3IO或PP卡檢測/數(shù)據(jù)線3#CSI片選2CMDPP命令/回應(yīng)DII數(shù)據(jù)輸入3VSS1S電源地VSSS電源地4VDDS電源VDDS電源5CLKI時鐘SCLKI時鐘6VSS2S電源地VSS2S電源地7DAT0IO或PP數(shù)據(jù)線0DOO或PP數(shù)據(jù)輸出8DAT1IO或PP數(shù)據(jù)線1RSV 9DAT2IO或PP數(shù)據(jù)線2RSV注：S：電源供給；I：輸入；O：采用推拉驅(qū)動的輸出；PP：采用推拉驅(qū)動的輸入輸出。SD卡SPI模式工作介紹（1）SD卡SPI模式下與單片機的連接圖如圖2.

23、3圖2.3 SD卡SPI模式下與單片機連接圖SD卡支持兩種總線方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0DAT3進行數(shù)據(jù)通信。而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut進行數(shù)據(jù)通信。SD方式時的數(shù)據(jù)傳輸速度與SPI方式要快，采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。這里只對其SPI方式進行介紹。（2）SPI方式驅(qū)動SD卡的方法 SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進行數(shù)據(jù)讀寫。從應(yīng)用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，很多單片機內(nèi)部自帶SPI控制器，不

24、光給開發(fā)上帶來方便，同時也見降低了開發(fā)成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能優(yōu)勢，要解決這一問題，就要用SD方式，因為它提供更大的總線數(shù)據(jù)帶寬。SPI接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進行的。以下介紹SD卡的驅(qū)動方法，只實現(xiàn)簡單的扇區(qū)讀寫。2.2 SD卡總線介紹SD存儲卡定義了兩種可選擇的總線協(xié)議，分別是SD和SPI。與SD卡通信的主機一方可以透明地選擇與SD的通信模式。 SD卡總線SD總線包括以下的信號：CLK：主機與卡之間的同步時鐘；CMD：雙向的命令反饋信號；DAToDAT3：4位雙向的數(shù)據(jù)傳輸線；VDD，Vss1，Vss2：電源和地信號。通過同步星型拓撲，SD總線

25、可以接一個主SD卡，或者多個從SD卡。時鐘、電源和地信號是所有卡公用的。主機和每張SD卡的CMD、DAT0DAT3信號連線必須點對點的進行連接。SD總線連接圖如圖2.4所示。圖2.4 SD總線連接圖 SPI總線兼容SD卡的SPI通信模式是一種通過SPI信道訪問SD卡的方式。SPI標準僅僅定義了物理連接方式，并未包括完整的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。SD卡的SPI總線實現(xiàn)方式使用了和SD總線相同的命令集。從應(yīng)用的角度來看，使用SPI總線模式的好處是它對主機的性能要求降至最低，另一方面，它也為產(chǎn)品設(shè)計成最小化作出了努力。它的不利之處是降低了系統(tǒng)的性能，也沒有SD總線那樣更多的連接選項。一般而言，兼容SD卡的SP

26、I總線包含以下信號。 CS：主機到卡芯片之間的片選信號； CLK：主機與卡之間的同步時鐘； Dataln：主機到卡之間的數(shù)據(jù)輸入信號； DataOut：主機到卡之間的數(shù)據(jù)輸出信號。圖2.5是SPI總線連接圖。圖2.5 SPI總線連接 總線協(xié)議(1)SD總線協(xié)議SD總線上的通信是以命令幀、反饋幀和數(shù)據(jù)幀進行的，這幾種幀格式都包含起始位和停止位。>命令幀：命令幀用來傳輸一個操作命令的令牌。 >反饋幀：反饋幀是從地址卡或者所有的連接卡發(fā)送給主機的作為對以前接收到的命令幀做出應(yīng)答的令牌。>數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀用來在卡和主機之間進行真正有用的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)鏈路進 行傳輸?shù)?。SD總線

27、協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸是以數(shù)據(jù)塊的方式進行的。數(shù)據(jù)塊之后通常跟著CRC校驗碼。在協(xié)議中定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞娇梢允菃螇K和多塊傳輸。多塊傳輸在進行寫卡操作時的速度比單塊傳輸快得多。多塊傳輸會在CMD線路上出現(xiàn)一個停止命令幀時中斷傳輸。寫操作和讀操作在時序上的不同在于數(shù)據(jù)線路DAT0上多了一個寫操作忙的信號。(2)SPI總線雖然SD通道是面向有起止位的控制幀和數(shù)據(jù)流格式的傳輸，但是SPI通道是面向字節(jié)的傳輸。SPI的命令和數(shù)據(jù)塊都是按8個比特為單位進行分組的，和SD協(xié)議相似，SPI的信息也分為控制幀、反饋幀和數(shù)據(jù)幀，所有主機和卡之間的通信都被主機進行控制，主機通過拉低CS信號以開始一個總線事務(wù)。SPI的反饋

28、方式和SD協(xié)議相比有以下3個方面的不同。 >被選中的卡必須時刻對命令幀做出響應(yīng)； >使用兩種新的響應(yīng)結(jié)構(gòu)(8位或16位)； >當卡獲取數(shù)據(jù)出問題時，它將發(fā)出一個出錯反饋幀通知主機，而不是使用超時檢測的方式。除了需要對命令幀做出反饋之外，在進行寫卡操作期間，還需要對每一個發(fā)送到卡的數(shù)據(jù)塊發(fā)一個特別的數(shù)據(jù)反饋令牌。一個合法的數(shù)據(jù)塊的結(jié)尾應(yīng)當包括16位的CRC校驗部分，CRC校驗值是按照標準的CCITT的x的16次方+X的12次方+X的5次方+1產(chǎn)生的。一旦數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)錯誤，卡就不再傳輸數(shù)據(jù)，取而代之的是發(fā)送一個數(shù)據(jù)出錯令牌給主機。在SPI模式中也支持單塊和多塊的數(shù)據(jù)寫命令。卡從主

29、機端接收到一個數(shù)據(jù)塊之后，它就會發(fā)一個數(shù)據(jù)響應(yīng)令牌給主機，如果接收的數(shù)據(jù)經(jīng)校驗無錯，就把數(shù)據(jù)寫入卡的存儲介質(zhì)中。如果卡正在忙于往存儲介質(zhì)中寫數(shù)據(jù)時，它會持續(xù)發(fā)一個“工作忙”的令牌給主機。2.3 SD卡的命令 SD卡的命令格式SD卡的命令格式固定為6個字節(jié)48個位，其格式如圖2.6所示。圖2.6 SD卡命令格式開始位固定為0，第二位固定為1，表示主機給SD卡的命令，然后是6位命令索引號，索引號的大小與索引號數(shù)字相同，比如CMD0的索引號為000000，索引號41為101001。緊接著命令索引號是命令參數(shù)，有些命令有參數(shù)，有些命令沒有參數(shù)，比如CMD0和CMD1命令參數(shù)為32個0，而命令CMD24

30、、CMD17的命令參數(shù)是數(shù)據(jù)的讀寫地址。最后是7位CRC校驗位和一位停止位1。根據(jù)命令索引號可推知SD卡的命令最多不超過64個（有些命令索引號為保留以后升級用，沒有實際的命令相對應(yīng)），SD卡協(xié)議把卡的命令分為若干類，有些命令只有對SD模式起作用，有些命令只對SPI模式起作用，大部分命令是通用的，兩種模式下具有相同的命令。 SD卡的命令類型(1) 命令類型控制SD卡有4種類型的命令:廣播命令，無響應(yīng)。 廣播命令的特點是如果所有的CMD線與主機連接到一起。如果把它們分開，那么每張卡將在輪到它的時候單獨接收。 有響應(yīng)的廣播命令。從所有卡來的響應(yīng)是同時的。但是在SD卡里沒有開漏模式，這個類型命令只可以

31、使用在所有的CMD線是分開的情況下。這個命令將被所有的卡單獨接受并響應(yīng)。 在DAT上沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄖ?點對點)命令。 在DAT上有數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄖ访睢Ｋ械拿詈晚憫?yīng)都在CMD線上進行。命令傳送總是從左邊的位開始。（2） SD卡命令集: SD卡命令共分為12類，分別為class0到class，不同的SD卡，主控根據(jù)其功能，支持不同的命令集如下：C1ass0：(卡的識別、初始化等基本命令集)： CMD0：復(fù)位SD卡。 CMD1：讀OCR寄存器。 CMD9：讀CSD寄存器。 CMD10：讀CTD寄存器。 CMD12：停止讀多塊時的數(shù)據(jù)傳輸。 CMD13：讀Cardes Status寄存器。Cla

32、ss2(讀卡命令集)： CMD16：設(shè)置塊的長度。 CMD17：讀單塊。 CMD18：讀多塊，直至主機發(fā)送CMD12為止。Class4(寫卡命令集)： CMD24：寫單塊。 CMD25：寫多塊。 CMD27：寫CSD寄存器。Class5(擦除卡命令集)： CMD32：設(shè)置擦除塊的起始地址. CMD33：設(shè)置擦除塊的終止地址。 CMD38：擦除所選擇的塊。Class6(寫保護命令集): CMD28：設(shè)置寫保護塊的地址。 CMD29：擦除寫保護塊的地址。 CMD30：Ask the card for the status of the mite protection bits。Class7：卡的鎖

33、定，解鎖功能命令集。class8：申請?zhí)囟罴lassl0和class11：保留。其中class 1, class3,class9的SPI模式不支持。3 硬件設(shè)計系統(tǒng)整體硬件方案分為三個部分:電源部分、單片機STC12C5A60S2主控芯片的DY_mini80E開發(fā)板的選擇部分（包括信號采集、A/D轉(zhuǎn)換等）、帶SD卡的TFT彩屏的選擇部分（包括SD卡工作電路部分等)。設(shè)計在Keil編程環(huán)境下，建立工程，編寫程序，然后將程序下載到單片機中，同時復(fù)位單片機，然后調(diào)節(jié)DY_mini80E開發(fā)板上的四路電位器采集不同的電壓信號（四路電壓范圍均0V-5V），按動采集鍵后，信號開始采集，每秒鐘各通道

34、進行一次A/D轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)進行處理后由單片機控制分別存入帶SD卡的TFT彩屏的SD卡的相應(yīng)文檔中。并用TFT彩屏顯示經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的四路實時電壓，用以觀察采集數(shù)據(jù)的變化。3.1 電源模塊SD卡的工作電平為3.3V，而控制芯片STC12C5A60S2的邏輯電平為5V CMOS電平標準。因此，它們之間不能直接相連，否則可能會燒壞SD卡；出于對安全工作的考慮，有必要解決電平匹配問題。要解決這一問題，最根本的就是解決邏輯器件接口的要有兩條：一為輸出電平器件輸出高電平的最小電壓值，應(yīng)該大于接收電平器件識別為高電平的最低電壓值；另一條為輸出電平器件輸出低電平的最大電壓值，應(yīng)該小于接收電平器件識別為低電

35、平的最高電壓值。一般來說，通用的電平轉(zhuǎn)換方案是采用類似SN74ALVC4245的專用電平轉(zhuǎn)換芯片，這類芯片不僅可以用作升壓和降壓，而且允許兩邊電源不同。但是，這個方案代價相對昂貴，而且一般的專用電平轉(zhuǎn)換芯片都是同時轉(zhuǎn)換8路、16路或者更多路數(shù)的電平，相對本系統(tǒng)僅僅需要轉(zhuǎn)換4路來說是一種資源的浪費。 帶SD卡的TFT彩屏模塊中包含REG1117-3.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊。在SD卡向單片機傳輸數(shù)據(jù)時可以直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，所以只做一個直流5V的穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電即可，既經(jīng)濟又實用。電源電路原理圖如圖3.1。圖3.1 電源電路原理圖該電路的基本工作過程是：市電220V

36、經(jīng)變壓器降壓變成8V交流，再經(jīng)整流橋VD整流成約11.5V直流，再經(jīng)過濾波電容C1、C2后經(jīng)LM7805穩(wěn)壓管穩(wěn)壓成穩(wěn)定的5V電壓供整個系統(tǒng)供電。3.2 單片機最小系統(tǒng)3.2.1單片機原理圖及其特性單片機控制模塊是整個系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機為核心元件。下面圖3.2就是一個STC12C5A60S2單片機的引腳圖。圖3.2 STC89C52原理圖STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12 倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM

37、,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即25bit/s),對電機控制，強干擾場合。1. 增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512. 工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： 5.5V - 3.5V（5V單片機） STC12LE5A60S2 系列工作電壓： 3.6V - 2.2V（3V單片機）3. 工作頻率范圍：035MHz，相當于普通8051的 0420MHz4. 用戶應(yīng)用程序空間 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié).5. 片上集成1280字節(jié) RAM6. 通用I/O口

38、（36/40/44個），復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA， 但整個芯片最大不要超過120mA7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)9. 看門狗10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）11. 外部掉電檢測電路: 在P4.6口有

39、一個低壓門檻比較器5V單片機為1.33V，誤差為±5%,3.3V 單片機為1.31V，誤差為±3%12. 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為±5% 到±10% 以內(nèi))用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C 振蕩器還是外部晶體/ 時鐘常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V 單片機為： 11MHz 17MHz 3.3V 單片機為： 8MHz 12MHz精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準。13. 共4個16位定時器,兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但

40、有獨立 波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器。14. 3個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘,獨立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時鐘。15. 外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2), CCP1/P1.4(也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)16. PWM(2路）/

41、 PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路） - 也可用來當2路D/A使用 - 也可用來再實現(xiàn)2個定時器 - 也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)17. A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18. 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)20. 工作溫度范圍：-40 +85(工業(yè)級) / 0

42、75(商業(yè)級)21. 封裝：LQFP-48, LQFP-44, PDIP-40, PLCC-44, QFN-40I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口,還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。3.2.2 STC12C5A60S2系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC12C5A60S2系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看

43、門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A60S2系列單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。圖STC12C5A60S2系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.3 單片機STC12C5A60S2最小系統(tǒng)的組成單片機STC12C5A60S2最小系統(tǒng)（DY_mini80E開發(fā)板)，是指用最少的元件組成的單片機可對STC12C5A60S2單片機來說，其最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、晶振電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等。本設(shè)計的最小系統(tǒng)的原理圖見附件A。 （1）復(fù)位電路STC12C5A60S2的復(fù)位引腳(RESET)是第9腳，當此引腳連接高電平超過2個機器周期，即

44、可產(chǎn)生復(fù)位的動作。以24MHz的時鐘脈沖為例，每個時鐘脈沖為0.5us，兩個機器周期為1us，因此，在第9腳上連接一個2us的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位動作。最簡單的就是只有一個電阻跟一個電容就可可靠復(fù)位的電路，電阻一般選擇10K，電容一般選擇10uF。DY_mini80E開發(fā)板有兩種復(fù)位電路方式，如下圖3.4所示的復(fù)位電路。這里說下用高電平復(fù)位：在VCC和RST端接一容量為10uF左右的電解電容，再串聯(lián)一個電阻R21(10K)接地。圖3.4 復(fù)位電路正常工作時，利用RST內(nèi)部復(fù)位下拉電阻Rr（40K-220K）便構(gòu)成了復(fù)位電路。接通電源瞬時，電容C10上電壓很小，由于復(fù)位下拉電阻Rr>&

45、gt;10K，所以復(fù)位下拉電阻Rr上的電壓接近電源電壓，即RST位高電平，電路沒有影響。在電容充電過程中，RST端電位逐漸下降，當RST端電位小于某一數(shù)值后，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。只要電容C容量足夠大，即可保證RST高電平有效時間大于24個真到周期，CPU能可靠復(fù)位。在斷電后，VCC逐漸下降，當VCC=0時，相當于VCC端與地等電位，這時電容C10通過電阻R21迅速放電，保證再上電時端位高電平。此復(fù)位電路本身存在一個缺點，當死機時只能通過關(guān)機復(fù)位。為了解決這一問題，在電解電容C10上并聯(lián)一個電阻R10和開關(guān)K。復(fù)位按鈕按下時，電解電容C10通過R10放電，當電解電容C10放電結(jié)束后，RST端的電

46、位由Rr和R10分壓比決定。由于Rr>>R10，因此RST位高電平，CPU進入復(fù)位狀態(tài)，松手后，電解電容C10充電，RST端電位下降，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。R10的作用在于限制按鈕按下瞬間電解電容C10的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護按鈕的觸點。（2）晶振電路(時鐘電路)STC12C5A60S2單片機的最高時鐘脈沖頻率已經(jīng)達到了24MHz，它內(nèi)部已經(jīng)具備了振蕩電路，只要在STC12C5A60S2的兩個引腳(即18、 19腳)連接到簡單的石英振蕩體的2個管腳即可，同時晶體的2個管腳也要用30pF的電容耦合接地。在該電路由兩個30pF的電容C8、C9和一個24MHz的晶振Y2組成。其連接

47、方式如圖3.5。圖3.5晶振電路（3）A/D轉(zhuǎn)換電路PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.6。電路將電壓VCC（5V）通過四路W3W6均1

48、0K的滑動變阻器（即電壓可調(diào)范圍0V-5V）分別進入AIN0AIN3進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過SCL、SDA腳送到STC12C5A60S2單片機。圖3.6 A/D轉(zhuǎn)換電路3.2.4 帶SD卡的TFT彩屏控制芯片STC12C5A60S2的邏輯電平為5V CMOS電平標準，而SD卡的邏輯電平為3.3V，它們之間不能直接相連，否則可能會燒壞SD卡；但我們選擇了帶SD卡的TFT彩屏模塊，TFT彩屏模塊中已含REG1117-3.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊。而在SD卡向單片機傳輸數(shù)據(jù)時可以直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則。圖3.7即為帶SD卡的TFT彩屏接口定義。數(shù)據(jù)接口兼容DY_m

49、ini80E開發(fā)板上12864接口，GND為1腳，對應(yīng)12864的1腳，插接方式如圖3.9帶SD卡的TFT彩屏與DY_mini80E開發(fā)板實物連接圖。圖3.7 帶SD卡的TFT彩屏接口定義帶SD卡的TFT彩屏數(shù)據(jù)接口兼容DY_mini80E開發(fā)板上的12864液晶接口，GND為1腳，對應(yīng)12864液晶插座的腳，其接口原理圖如圖3.8。圖.2 TFT彩屏接口原理圖4 軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計目標最終能實現(xiàn)同時將四路模擬電壓（0-5V）進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果為十進制有效數(shù)字3位；要求每秒鐘轉(zhuǎn)換一次，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為ASCII碼形式；并將四路結(jié)果分別存儲到SD卡預(yù)先建立好的CH1.txt、CH2.tx

50、t、CH3.txt、CH4.txt文檔中。采集實時的4個通道電壓值顯示在TFT彩屏上；按S1按鍵進行采集及存儲，再按S1按鍵暫停采集及存儲，按S2鍵清除SD卡中的內(nèi)容；按S按鍵系統(tǒng)進行復(fù)位。4.2 Keil軟件簡介Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生

51、成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。Keil C51軟件是一個基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序，支持C語言和匯編語言編程，其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為Vision(通常稱為V2)。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：Vision IDE集成開發(fā)環(huán)境C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標文件生成器以及 Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)。4.3 Keil軟件調(diào)試功能應(yīng)用Keil進

52、行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序并保存建立工程并添加源文件設(shè)置工程編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標文件程序調(diào)試。Keil使用“工程”(Project)的概念，對工程(而不能對單一的源程序)進行編譯/匯編、連接等操作。工程的建立、設(shè)置、編譯/匯編及連接產(chǎn)生目標文件的方法非常易于掌握。首先選擇菜單File-New，在源程序編輯器中輸入?yún)R編語言或C語言源程序(或選擇File-Open，直接打開已用其它編輯器編輯好的源程序文檔)并保存，注意保存時必須在文件名后加上擴展名.asm(.a51)或.c；然后選擇菜單Project-New Project，建立新工程并保存(保存時無需加擴展名，也可加上擴展名.

53、uv2)；工程保存后會立即彈出一個設(shè)備選擇對話框，選擇CPU后點確定返回主界面。這時工程管理窗口的文件頁(Files)會出現(xiàn)“Target1”，將其前面+號展開，接著選擇Source Group1，右擊鼠標彈出快捷菜單，選擇“Add File to Group Source Group1”，出現(xiàn)一個對話框，要求尋找并加入源文件(在加入一個源文件后，該對話框不會消失，而是等待繼續(xù)加入其它文件)。加入文件后點close返回主界面，展開“Source Group1”前面+號，就會看到所加入的文件，雙擊文件名，即可打開該源程序文件。緊接著對工程進行設(shè)置，選擇工程管理窗口的Target1，再選擇Proj

54、ect-Option for TargetTarget1(或點右鍵彈出快捷菜單再選擇該選項)，打開工程屬性設(shè)置對話框，共有8個選項卡，主要設(shè)置工作包括在Target選項卡中設(shè)置晶振頻率、在Debug選項卡中設(shè)置實驗仿真板等，如要寫片，還必須在Output選項卡中選中“Creat Hex Fi”；其它選項卡內(nèi)容一般可取默認值。工程設(shè)置后按F7鍵(或點擊編譯工具欄上相應(yīng)圖標)進行編譯/匯編、連接以及產(chǎn)生目標文件。 成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單Debug-Start/Stop Debug Session(或按Ctrl+F5鍵)進入程序調(diào)試狀態(tài)，Keil提供對程序的模擬調(diào)試功能，內(nèi)建一個

55、功能強大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能以單步執(zhí)行(按F11或選擇Debug-Step)、過程單步執(zhí)行(按F10或選擇Debug-Step Over)、全速執(zhí)行等多種運行方式進行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯，可采用在線匯編功能對程序進行在線修改(Debug-Inline Assambly)，不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對工程重新進行編譯/匯編和連接、然后再次進入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對于一些必須滿足一定條件(如按鍵被按下等)才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進行調(diào)試的程序行，可采用斷點設(shè)置的方法處理(Debug-Insert/Remove Breakpoint或Debug-Breakpoi

56、nts等)。在模擬調(diào)試程序后，還須通過編程器將.hex目標文件燒寫入單片機中才能觀察目標樣機真實的運行狀況。4.4 系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)初始化要讓系統(tǒng)正常運行首先要對系統(tǒng)進行初始化，主要包括：定時器T0初始化、DS1302初始化、LCD初始化、SD卡初始化、文件系統(tǒng)初始化。其流程圖如圖4.1所示。開始定時器T0初始化DS1302初始化LCDSD卡初始化文件系統(tǒng)初始化打開界面背景位圖文件并顯示關(guān)閉背景位圖文件用背景色清屏顯示初始化狀態(tài)返回顯示通道指示字符圖4.1 系統(tǒng)始化流程圖 SD卡初始化SD卡從上電到對SD卡進行正確的讀寫操作，往往都需要一個上電初始化的過程。SD卡上電后，主機必須先向SD卡發(fā)送74個時鐘周期，以完成SD卡的上電過程。通常SD卡上電后會自動進入SD總線模式，并在SD總線模式下向SD卡發(fā)送復(fù)位命令(CMD0)。因此，主機在對SD卡進行任何操作前，都必須先要拉低SD卡的片選信號CS(card select)，以使SD卡進入SPI總線模式，然后再由主機向SD卡發(fā)送命令。SD卡可以響應(yīng)主機發(fā)來的各種應(yīng)答信號，同時向主機發(fā)送一個特殊的數(shù)據(jù)響應(yīng)標志。若主機讀到的應(yīng)答信號為01，即表明SD卡已進入SPI模式，此時，主機即可不斷地向SD卡發(fā)送命令字(CMD1) 并讀取SD卡的應(yīng)答信號，直到應(yīng)答信號為00，表明SD卡已