（电路与系统专业论文）基于mcf51128的sd卡读写系统设计与实现.pdf

11 la馐hj“却川 1 、- = i 一 kfp|lil1 hj，r二ih0j |l，；，蓐一 i l u l lli l l l li i1 1 1 1 1 1 1i l liil y 18 4 4 313 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc i r c u i t sa n ds y s t e m s d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fs dc a r d r e a d i n g a n d w r i t t i n gs y s t e mb a s e d o nt h e m c f 5 1 j m l 2 8 b y a nd o n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rm a x u e w e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：晦冬 日期：泖夕、多 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时问为作者获得学位后： 半年函一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：运彩 签字日期：和罗，多p 导师签名：马哮炙 签字日期：岬、夕厂 一 j_1 j_i，1 东北大学硕士学位论文摘要 基于m c f 5 1 j m l 2 8 的s d 卡读写系统设计与实现 摘要 本文针对当前嵌入式系统无法大量保存数据的问题提出了一种解决方案。该 方案基于m c f 5 1 j m l 2 8 微控制器，实现了s p i 模式对s d 卡的底层读写设计，并 按照f a t l 6 文件格式将要保存的数据存储到s d 卡中，从而达到扩充嵌入式系统 内存的目的。 本系统包含硬件设计和软件设计两个部分，在硬件设计部分实现了读写s d 卡的最小硬件系统，微控制器选用的是f r e e s c a l e 公司出品的m c f 5 1 j m l 2 8 微控 制器，在此微控制器基础上，设计实现了电源管理模块、晶振电路模块、u s b 接口模块、串行接口模块、s d 卡接口模块、b d m 调试模块和复位电路模块，最 终完成了读写s d 卡的最小硬件系统。存储卡选用的是金士顿公司出品的容量为 2 g 的s d 存储卡，该s d 卡通过在m c f 5 1 j m l 2 8 微控制器上外扩的s d 插槽与 微处理器连接通信。软件部分实现了对硬件系统的初始化、以及s p i 方式对s d 存储卡进行底层读写的程序设计，并在s p i 方式读写s d 卡的基础上按照f a t l6 文件格式实现了在s d 卡中创建文件、保存文件、读取文件的程序设计，最后， 将虚拟串口功能移植到s d 卡读写系统中，实现了通过p c 机的超级终端就可以 直接与s d 卡进行通信的目的，给后期的分析数据和设计验证带来了很大便利。 经测试证明，该系统完成了微控制器对s d 卡的基本读写功能，可操作性强。 通过虚拟串口验证了在s d 卡中创建文件、保存文件、读取文件的功能，实现了 扩充嵌入式系统内存的目的，是一种有效解决嵌入式系统内存偏小问题的方案。 关键词：嵌入式系统；s d 存储卡；f a t l 6 文件系统 - i i - 一 j ，- 1 噜 东北大学硕士学位论文 a b s t f & c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fs dc a r d r e a d i n ga n dw r i t t i n gs y s t e m ba s e do nt h e m c f 51 j m l 2 8 a bs t r a c t t h i sp a p e rp u t sf o r w a r das c h e m et or e s o l v et h ep r o b l e mt h a te m b e d d e ds y s t e m c a nn o ts a v em a s sd a t a t h es c h e m ei sa c h i e v e dm a i n l yb a s e do nc o l d f i r e m i c r o c o n t r o l l e r s ，t h er e a l i z a t i o no ft h es p im o d eo fs dc a r dr e a d e ro ft h eu n d e r l y i n g d e s i g n ，a n dc a i ls a v et h ed a t ai n t os dc a r di nt h ef i l ef o r m a to ff a t l6 ，s oa st oa c h i e v e t h ep u r p o s eo ft h ee m b e d d e ds y s t e mm e m o r y t h es y s t e mi n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ea s p e c to f h a r d w a r ed e s i g n ，i ti m p l e m e n t st h em i n i m a lh a r d w a r es y s t e mf o rr e a d i n ga n dw r i t i n g t h es dc a r d f r e e s c a l em c f 5 1 j m l 2 8i su s e da st h em i c r o c o n t r o l l e ro f t h es y s t e m t h e b a s i so ft h i sm i c r o c o n t r o l l e r t h i sp a p e rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep o w e r m a n a g e m e n tm o d u l e s ，c r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i tm o d u l e ，u s bi n t e r f a c em o d u l e ，s e r i a l i n t e r f a c em o d u l e ，s dc a r di n t e r f a c em o d u l e ，b d md e b u g g i n gm o d u l er e s e tc i r c u i t m o d u l e k i n g s t o ns dm e m o r yc a r dw i t hav o l u m ec a p a c i t yo f2 gi su s e di nt h i s s y s t e m t h es dc a r dc o m m u n i c a t e sw i t ht h em i c r o p r o c e s s o rt h r o u g ht h es d e x p a n s i o ns l o ti nm c f 5 1j m l2 8 i nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，i ti m p l e m e n t sh a r d w a r e s y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，b a s e dr e a d i n ga n dw r i t i n gs dc a r di ns p im e t h o d ，c r e a t i n gf i l e i ns dc a r di nt h ef i l ef o r m a to ff a t16a n ds a v i n gd a t ai n t os dc a r di nt h eb a s i so f s p i t h r o u g hp c h y p e r t e r m i n a lc a nd i r e c t l yc o m m u n i c a t ew i t ht h es dc a r df o rl a t e r a n a l y s i so fd a t ai sac o n v e n i e n c e r e s u l t p r o v e st h a t ，t h i ss y s t e mh a s a c h i e v e dt h eb a s er e a d i n ga n dw r i t i n g f u n c t i o na n ds t r o n gm a n i p u l a t i o n b e s i d e ，i ti m p l e m e n t sf i l ec r e a t i n g ，s a v i n ga n d r e a d i n gf u n c t i o n st h r o u g hv i r t u a ls e r i a lp o r t s f i l es a v e di nt h es dc a r dc a n b ed i r e c t l y r e a db yp c t h i ss c h e m ep r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h ee m b e d e ds y s t e m m e m o r yb o t t l e n e c kp r o b l e m ，a n da c h i e v e st h eg o a lo fe x t e n d i n ge m b e d e ds y s t e m m e m o 阱 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；t h es dm e m o r yc a r d ；t h ef i l ef o r m a to ff a t 16 i i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章综述1 1 1 研究背景1 1 2 研究现状1 1 2 1s d - r 作模式实现s d 卡读写研究现状。2 1 2 2s p i 工作模式实现s d 卡读写研究现状3 1 2 3 以f a t 文件格式实现s d 卡读写研究现状5 1 2 4u s b 实现虚拟串口研究现状7 1 3 论文主要工作8 第2 章相关背景知识介绍1 l 2 1m c f 5 1 j m l 2 8 微控制器简介1 1 2 2s d 卡相关知识简介1 2 2 2 1s d 卡接口引脚介绍1 3 2 2 2s d 卡s p i 通信基本原理介绍15 2 2 3s d 卡底层读写原理介绍16 2 3f a t 文件系统原理简介18 2 4u s bc d c 协议简介2 0 2 5 本章小结2 3 第3 章系统总体设计概述2 5 3 1 系统硬件需求分析。2 5 3 2 系统软件模块分析一2 6 3 2 1s p i 模块2 7 3 2 2s d 模块2 7 - 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 3f a t 模块2 7 3 2 4u s b 模块2 7 3 2 5 其他功能模块2 8 3 3 本章小结2 8 第4 章系统硬件设计实现2 9 4 1 电源电路2 9 4 2 晶振电路3 0 4 3u s b 接口3 0 4 4 串行接口电路3 1 4 5s d 卡接口3 2 4 6b d m 调试接口3 3 4 7 复位电路3 3 4 8 本章小结j 3 4 第5 章系统软件设计实现3 5 5 1 系统初始化3 5 5 1 1 时钟初始化3 5 5 1 2s p i 初始化3 6 5 1 3s d 卡初始化3 7 5 2s p i 方式读写s d 卡软件实现3 8 5 2 1s d 卡的块写入3 9 5 2 2s d 卡的块读取4 0 5 3f a t l 6 文件格式读写s d 卡4 1 5 3 1 文件创建函数f a tf i l e c r e a t e 4 2 5 3 2 文件打开函数f a tf i l e o p e n 4 2 5 3 3 文件关闭函数f a tf i l e c l o s e 4 3 5 3 4 文件读函数f a tf i l e r e a d 4 3 5 3 5 文件写函数f a tf i l 鲥m t e 4 4 5 4u s bc d c 类虚拟串 1 的程序移植4 5 5 5 本章小结。4 6 - v 4 东北大学硕士学位论文 目录 第6 章系统测试4 7 6 1 9 1 9 试叼、境4 8 6 2 读取文件测试4 8 6 3 写入文件测试4 9 6 4 修改文件测试4 9 6 5p c 机验证5 0 6 6 本章小结5 0 第7 章总结与展望5 l 7 1 总结一5 l 7 2 展望5l 参考文献5 3 致谢一5 7 附录as d 卡命令集5 9 附录b 硬件设计原理图6 l 附录c 部分寄存器定义表6 3 附录ds d 卡读写测试图6 5 v i 0 ， 东北大学硕士学位论文第1 章综述 第1 章综述 1 1 研究背景 一般来讲，嵌入式系统的存储容量都非常小，而它的功能却越来越复杂，所 以嵌入式系统的有限内存就成为其功能扩展的瓶颈。为了解决嵌入式系统有限内 存和复杂功能之间的矛盾，本设计方案尝试把以闪存为介质的存储卡应用到嵌入 式系统的设计中。这些闪存卡具有功耗低、密度高、体积小、可靠性高、可擦写、 非易失性强、容量大等特点；由于是电读写介质，这些闪存卡基本不受磁性干扰 和影响，而且因其具有相对简单的物理结构，在发生碰撞时也不易出现数据丢失 现象，可以有效地满足当前嵌入式系统的需求。目前应用的主流存储卡有 c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡、m m c ( m u l t i m e d i ac a r d ) 卡、记忆棒、s d ( s e c u r ed i g i t a lc a r d ) 卡等，由于分别由多家不同的公司研制、生产，在体积、存储卡内部结构、容量 和接口规范上各有特点，互不兼容。其中s d 卡以其高记忆容量、快速数据传输 率、极大的移动灵活性以及很好的安全性成为嵌入式系统保存数据的最佳选择。 基于存储容量、读取速度、便携性及广泛行考虑，本系统中选用了s d 卡为数据 存储卡。为了方便分析保存在s d 卡中的数据，按照w i n d o w s 操作系统可以识别 的文件格式将数据写入s d 卡中，给开发人员后期分析数据带来极大的便利。 在嵌入式系统中，异步串行通信接口往往作为标准外设出现在单片机和嵌入 式系统中。其主要作用是在嵌入式开发过程中输入输出数据，以方便设计人员的 开发调试。但在接口技术高速发展的今天，串口正逐渐从个人计算机特别是笔记 本电脑上消失。目前主流的笔记本电脑上已经找不到串口的踪影。然而，由于过 去串口的广泛应用，针对串口开发的应用程序非常的多，而且有些功能必须用串 口实现，如何能最大限度的减少接口的更新对应用程序的影响，成为了目前嵌入 式开发的另一个新问题。为了解决这个问题，本文利用已实现的u s b 虚拟串口 功能，将其移植在s d 卡读写的简单例子中，取代了传统的串口设备，从而形成 完整的s d 卡读写测试系统。 1 2 研究现状 目前国内外实现嵌入式系统的s d 卡读写有很多种设计，但从s d 卡的工作 - 1 一 东北大学硕士学位论文 第1 章综述 模式上分主要两种方法：s d 工作模式实现和s p i 工作模式实现。部分设计还在 s d 工作模式或者s p i 工作模式的基础上，按照f a t 文件格式要求将数据写入s d 中。将采集的数据以p c 机可以支持的文件格式存入s d 卡，方便开发人员对所 采集的数据进行读取与分析。 1 2 1s d 工作模式实现s d 卡读写研究现状 s d 工作模式是s d 卡工作的默认模式，是在s db u s 协议下，允许1 线到4 线数据传输，如采用最大4 线的传输方式，可以提高传输速度。但s d 工作模式 总线时序要求严格，在选用s d 工作模式时，往往需要选择带有s d 卡控制器接 口的微控制器，或者必须加入额外的s d 卡控制单元以支持s d 卡的读写。如果 用软件模拟不仅复杂烦琐，而且可靠性也不高。 华中科技大学的姚杰等人实现了g p i o 软件模拟s d 总线技术【1 1 ，设计了基 于a r m 7 的s d 卡读取方案，该方案使用g p i o 实现s d 总线协议的算法，在嵌 入式l i n u x 的软件平台下，编写块设备驱动插入到系统中后，s d 卡可以正常工 作。并且可以进行正常的文件访问操作。由于设计实现的是精简的s d 卡驱动， 若单独测试g p i o 的最高频率约为6 m h z 左右。而按照s d 卡规范，在初始化后， s d 卡最高可以在2 5 m h z 的频率下工作。 由此可见，使用s d 工作模式会使s d 卡的访问速度得到明显提高。但是， 目前使用s d 工作模式实现s d 卡与单片机通信的设计并不多，其原因在于目前 支持s d 工作模式的微控制器和微处理器并不多，这就限制了s d 工作模式的普 及，而且s d 工作模式的程序的移植相对s p i 工作模式比较复杂。一般只有在对 传输速度要求很高的设计中，才会使用s d 工作模式。 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心的左源、刘新宁、师超设 计了一种采用s d 总线的s d 卡控制器，该控制器可以实现对于s d 卡的基本控 制，如：初始化s d 卡、读写数据、擦除数据等操作【2 1 。 南京邮电大学的姚放吾、曹木莲等人使用w 8 6 l 3 8 8 d 作为5 1 单片机与s d 卡的接口芯片，利用w 8 6 l 3 8 8 d 桥接芯片支持s db u s 方式的4 线数据传输，并 且根据所收到的命令能自动产生相应的s db u s 时序的特点，采用4 线并行方式 取代s p i 串行方式读写数据，使s d 卡的访问速度大大提高【3 1 。该设计适用于需 2 - 厶一 东北大学硕士学位论文第1 章综述 要大容量存储功能的嵌入式仪表和设备中，在普通民用设计中无法完全发挥其优 势。 1 。2 2s pi 工作模式实现s d 卡读写研究现状 s p i 协议由于其简单的接口设计，只用四根线就完成了所有的通讯工作，被 大部分的微控制器和微处理器芯片所支持。因此，s p i 工作模式被广泛地应用到 嵌入式系统的设计中，是目前最广泛应用的解决方案。如中国海洋大学海洋遥感 研究所的张凯临等人就采用s p i 模式实现了s d 卡在p i c 系列微控制器系统中的 实际应用【4 1 ，该设计已经在海洋自容式仪器中应用，用于采集水下参数，但该设 计中仅仅用到了基本的读写操作，没有涉及到s d 卡的文件系统，这样就给后期 的数据分析带来了一定的不便。 利用被广泛支持的s p i 总线来进行s d 卡的读写，在对s d 数据读写时间要 求不是很严格的情况下可以说是一种最佳的解决方案。如上海交通大学周煜、付 宇卓的s p i 协议的m m c 卡读写的设计【6 】，实现了通过s p i 总线接口对m m c 卡 进行读写。虽然在速度上比用多媒体卡控制器实现略慢，但已经完全能够满足大 多数的应用场合。由此可见，用s p i 总线来实现对m m c 卡的读写是非常简单有 效的。在实际应用对比中，用s p i 接口可以实现的读写速度约1 m b s ，而用m m c 接口的的读写速度可以达到约3 m b s 。虽然读写速度有了一些降低，但是已经可 以满足大多数需要了。而本文所选择的s d 卡不仅在外形上同m m c 卡保持一致， 并且兼容m m c 卡的接口规范，相对于m m c 卡，s d 卡无论是读写速度还是存 储容量都要有了很大的提高。另外，由于s p i 总线的简单性，还可以通过通用传 输接u i ( g p i o ) 来实现s p i 的协议。例如可以用p c 机的并口来实现m m c s d 的 读写。这就更进一步扩大了m m c s d 的应用范围，几乎任何单片机都可以实现 对m m c s d 卡的读写。 在实际应用方面，西安科技大学的王瑜将s d 卡作为外部掉电存储介质应用 于音频信号发生器中阴，通过8 0 5 1 f 3 3 0 单片机上的s p i 接口。实现单片机的s d 卡存储扩展，满足了音频信号发生器的大容量数据存储要求。利用上位机可以方 便的读取写入数据。其系统的存储速度可达2 0 m b s ，完全满足信号发生器所需 的下载速度和音频播放速度。所编写的s d 卡驱动程序已经应用到嵌入式信号发 3 东北大学硕士学位论文 第1 章综述 生器中，实现了数据的安全、稳定的存储。相对于s d 卡无论是读写速度还是存 储容量都得到了极大提高。 此外，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的李文明、张涛与中国科 学院研究生院的郑丽娜同样采用了s p i 模式实现了a v r 单片机读写s d 卡【8 】。在 该设计中，除了s d 卡s p i 技术协议的实现，还设计了s d 卡的f a t 文件系统格 式读写，完成了创建文件名、组织文件链表、在链表指定的扇区写文件等工作， 将数据以文件方式写入s d 卡，方便了后期的数据分析。根据该作者实验测得， 向s d 卡中写入5 1 2 b ( 一个扇区) 数据，需要5 m s 的时间，已经满足工程上的需要。 武汉理工大学的苏义鑫、程敏、何力也采用了s p i 模式实现了a t 8 9 c 5 2 单 片机的s d 卡读写设计【9 1 。并将该设计应用在电能监测及无功补偿数据采集系统 中。值得注意的是a t 8 9 c 5 2 单片机没有现成的s p i 接口模块，该设计是用软件 模拟出s p i 总线时序，已达到采用s p i 工作模式读写s d 卡的目的。 涉及到医疗领域，在实时采集病人心肺数据方面已经有成功的设计产品。如 武汉理工大学管理学院的傅峙东在分析当前美国所生产电子听诊器的基础上，提 出用s d 卡实现心肺数据记录的方案【l o l ，并给出了s d 卡与a t m g e g a l 2 8 单片机 的硬件接口设计与软件设计，阐述了s d 卡应用数据记录的优点。该设计与美国 生产的电子听诊器所使用的p d a 记录系统比较，具有设计简单、容量大、数据 回收简便、体积小、重量轻、功耗低等特点，且存储在s d 卡中的数据为二进制 数据，为了使其能为w i n d o w s 系统所识别，将存储的数据以f a t l 6 格式进行存 储管理，只需要通过读卡器，就可以将s d 卡中的数据在w i n d o w s 下直接读出， 方便了后期的数据处理。在p c 机利用专用的分析软件就可以回放病人的心肺声 音，同时可以观察波形，并可仔细察看认为有问题的数据区域，还可存储在计算 机上，作为历史数据进行比对。该设计经过该作者测试，可以达到1 1 0 2 5 k h z 的 采样频率，与美国生产的e s c o p e 电子听诊器相比，采用s d 卡实现的系统具有 明显的优势。 中南大学信息物理工程学院的段勇、陈真诚、宋含同样基于m s p 4 3 0 单片机 实现了s d 卡读写，并建立了f a t l 6 文件系统。将该设计应用于便携式心电监护 仪上，经过该作者实验，完全满足了2 0 0 h z 心r 乜采样频率的要求，实现了对1 2 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章综述 位a d 转换数据的实时保存、显示与回放【i l l 。 武警上海市总队医院的陆为民做了基于s d 卡的动态心电数据存储器的研究 设计，该设计实现了一种能长时间进行心电数据存储的方案【13 1 。利用s d 卡作为 大容量存储介质，将预处理后的心电信号经过模数转换，通过u s b 2 0 专用微控 制器c y 7 c 6 8 0 1 3 a 将大量的心电数据暂存在s d 卡中，使主机与s d 卡之间的数 据通讯通过s p i 总线实现。最终s d 卡中的数据可通过u s b 传输到p c 机，或由 专用读卡器读取。经该作者计算，1 g b 的s d 卡可连续记录心电数据长达1 个月 的时间。 1 2 3 以f a t 文件格式实现s d 卡读写研究现状 在嵌入式系统开发时，写入的数据往往需要专门的软件支持才可以读出。这 样一来就给后期的数据分析带来了不便。然而，如果在采集数据时就以某种p c 机可以识别的文件格式写入，这样就使主控芯片写入外置存储卡的数据能被p c 机正确识别。目前在w i n d o w s 操作系统上支持的文件系统有f a t 、f a t l 6 、f a t 3 2 及n t f s 。其中f a t l 6 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。是应用最为广泛的文件系统，而且理 论上最高可以支持容量在2 g bs d 卡，所以在一般的嵌入式系统设计中使用 f a t l 6 文件系统即可。 重庆大学的刘晓明、邵敏、万艳华设计的基于t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的s d 卡文 件系统开发就采用了f a t l 6 作为s d 卡的文件系统【“】。该设计以 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 作为硬件平台，采用s d 卡作为外部掉电存储介质，把 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 采集到的数据以标准文件的形式保存到s d 卡中，通过读卡器 在计算机上读取相关结果。该文件系统方案已经应用于工程声波仪 ( t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 作为仪器数据采集板核心处理器) 中，该作者的实验结果表明 该方案使得工程声波仪在数据测量中更加灵活，文件管理更加方便，具有较高的 实用价值。 东北电力大学的关硕、关济实以凌阳s p c e 0 6 1 a 和s d 卡为例论述了在单片 机存储系统植入文件系统的方法【15 1 。并且丌发了一套针对s p c e 0 6 1 a 和s d 卡的 文件系统。此文件系统应用在了一套基于s p c e 0 6 1 a 和s d 卡的语音存储系统上， _ 5 r 东北大学硕士学位论文第1 章综述 实现了数据文件按f a t l 6 文件系统存储舰则存储。借助读卡器，在w i n d o w s 操 作系统上就能直接读取单片机存储的数据文件。这套文件系统可以很方便地应用 在各种工业现场以及小型的单片机数据采集系统中，在数据采集存储方面更加灵 活、稳定。 同济大学信息与控制工程系的程拥强、郭风龙、朱劲通过扩展端口，对c f 卡进行f a t l 6 标准文件读写【16 1 ，用这种方法实现的现场数据采集、存储系统已 经成功地应用在火车监测系统上，满足了系统在随机掉电时的数据保护以及长期 大量数据存储的要求。存储的文件在w i n d o w s 操作系统下面显示为文本文档， 更有利于现场数据的进一步分析、处理。该设计讨论的方法，可以应用在各种工 业现场和小型嵌入式系统中，在数据采集存储现场完全摆脱了操作系统的限制。 灵活，稳定。通过在火车监测系统上的实际应用，验证了该设计的可行性和优越 性。 扬州大学的张凯，姜熙君，陈磊，金振成设计了一种基于单片机的m m c 上 文件系统的实现方法【1 7 1 。单片机对m m c 底层的读写，按照f a t l 6 的格式对m m c 卡上数据进行操作，通过单片机对m m c 卡底层的操作，可以方便地实现m m c 卡上文件或目录的创建、读写、删除等操作。从而实现文件的管理，所记录的文 件可以在w i n d o w s 下使用读卡器访问。 长春理工大学光电工程学院的张宁和吉林大学朝阳校区仪器科学与电气工 程学院的王言章使用m s p 4 3 0 单片机和c f 存储卡设计的记录系统同样使用了 f a t l 6 文件系统【1 8 】。该记录系统充分利用了m s p 4 3 0 单片机运算速度高、处理能 力强、功耗低以及c f 存储卡的容量大等特点，用这种方法实现的数据采集、存 储系统已经可以成功地完成2 4 小时的心电数据采集、存储，该系统可以很方便 地进行存储容量的扩展，而且耗电量低，满足了长期大量数据存储的要求，存储 的文件与现在广泛使用的w i n d o w s 操作系统兼容，更加方便了高速采样等场合 的数据采集和回放分析。系统的扩展性强，可以很方便地应用在各种工业现场以 及小型便携式嵌入式系统中，在数据采集存储方面更加灵活、稳定，摆脱了操作 系统的限制。系统通过2 4 小时心电信号的采集、存储，验证了其可行性和优越 性。 东北大学硕士学位论文第1 章综述 中国计量学院机电工程学院的赵子恺、李青、吴秀山设计的基于s d 卡的冷 链温度记录仪中也采用了f a t l 6 文件系统格式，提高了数据兼容性【19 1 。 1 2 4u s b 实现虚拟串口研究现状 由于u s b 接口的广泛普及，目前利用u s b 实现串口功能的设计已经随处可 见，其中最为常用的就是u s b 串口转接线。其大部分都是用内部集成u s b 模块 的单片机加上外围辅助芯片从而实现u s b 与串口的协议转换。使用时，u s b 端 与p c 机相连，串口端与嵌入式开发板相连，已达到相互通信的目的。这种方法 在嵌入式开发板的主控器没有集成u s b 模块的情况下可以说是唯一的选择。 贵州大学计算机科学与技术学院的张厚武、姚凯学设计的基于双c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器的应用系统中【2 0 】，使用2 片c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器，通过其自身的s m b u s 总线进行扩展，实现了多路模拟量和数字量的输入与输出的应用系统。在该系统 中使用了u s b u a r t 桥接电路，2 片微控制器分别设为主片和从片，主片负责 主要的控制，而从片则负责u s b 与串口的协议转换，从而实现了虚拟串口的u s b 传输。 目前高端的微控制器都已经集成u s b 模块，如果还是用u s b 转接线实现与 电脑的相互通信的话，显然浪费了微控制器的资源，而且通过转接线的通信有时 候会出现稳定性的问题，一旦出现传输问题，不知道是开发板的程序问题，还是 转接线的问题，其可靠性无法保证。 事实上，如果微控制器集成了u s b 模块，完全没有必要外接u s b 串口转接 线，因为u s b 协议专门定义了一个设备类架构来支持这些通讯设备。这个架构 的实现称为c d c 类。c d c ( c o m m u n i c a t i o nd e v i c ec l a s s ) 类是u s b 通讯设备类的 简称。c d c 类是u s b 组织定义的一类专门给各种通讯设备使用的u s b 子类。 华东师范大学的吴明琪、马潮使用u s b 总线接口在单片机系统中实现了虚 拟串口【2 2 1 。在该设计中，软件部分采用u s b 的c d c 类标准来实现虚拟串口，这 样可以使用操作系统( w i n d o w s ，l i n u x ) 自带的驱动程序；在硬件设计中，使用自 带u s b 从设备接口的a t 8 9 c 5 1 3 1 单片机，从而提高了系统的集成度和可靠性。 武汉工程职j i k 技术学院的黄华同样利用c d c 类的a c m 功能实现了虚拟串 口的功能2 3 1 ，实现了虚拟串口在不需要改变应用程序的前提下完成u s b 到串口 7 - 【i-r 东北大学硕士学位论文 第1 章综述 的转换，其中关键问题在于按照c d c 类协议处理数据传输问题。利用c d c 类的 a c m 功能，可简化u s b 到串口的转换过程，适应了当前计算机外设接口的发展， 为接口当中烦琐的调试程序和应用程序编写带来了诸多便利。 综上所述，在内嵌u s b 控制器的微控制器上实现基于c d c 类的u s b 虚拟 串口的功能，可以很好的适应当前计算机外设接口的发展，同时因为这样的接口 在p c 操作系统中仍然映射为一个串口，所以又避免了大量的p c 端调试程序和 应用程序的重新编写。在p c 端，由于w i n d o w s 2 0 0 0 以上系统已经提供了u s b s e r s y s 驱动去支持c d c 类设备，因此只要设备按照规定的类协议去设计，驱动根本就 不用开发。对于应用程序，完全可以移植过来直接使用，需要设置的仅仅是将这 个应用程序对应的p x ) m 口改为所要实现的u s b 设备在p c 端映射的串口即可。 不过，由于w i n d o w s 操作系统的要求，还须提供一个i n f 文件给p c 操作系统， 以便使操作系统正确识别为串口设备2 3 1 。 1 3 论文主要工作 综上所述，本论文主要是针对当前嵌入式系统内存普遍比较小，无法大容量 存储数据的瓶颈问题以及便携式电脑上没有串口的问题而提出的。本论文选用的 主控制芯片为f r e e s c a l e 公司出品的3 2 位微控制器m c f 5 1 j m l 2 8 ，在f r e e s c a l e 官方网站已经发布了8 位微控制器m c 9 s 0 8 j m 6 0 读写s d 卡的完整设计参考方 案，提供包括硬件设计原理图、软件源代码在内的完整设计资料，本论文的s d 卡读写部分主要参考了此设计完成。同时c m x 公司也为f r e e s c a l e 公司提供了基 于v 1 内核的u s bc d c 类驱动的开发程序，并提供了相关的例程，本论文的虚 拟串口部分设计主要参考其例程完成。 由于目前许多主控芯片中并没有集成s d 卡硬件控制器，考虑系统的可移植 性，本设计采用了s p i 工作模式实现s d 卡的底层读写；为了方便分析写入s d 卡中的数据，将数据按照f a t l 6 文件格式保存在s d 卡中。除此之外， m c f 51 j m l 2 8 微控制器集成了u s b 控制器，可以通过u s bc d c 协议直接与p c 机连接通讯，其在操作系统中表现为一个串口设备，也就是说u s b 接口对于传 统的串口调试工具和用户基于串口的应用程序是透明的，开发人员完全不用更改 p c 端的调试和应用程序。 - 8 - 阜舀 ， 东北大学硕士学位论文第1 章综述 本论文主要工作包括如下内容： ( 1 ) 介绍实现s d 卡读写功能的最小硬件系统，包括主控芯片m c f 5 1 j m l 2 8 微控制器特点及外围电路设计原理图。 ( 2 ) 概要介绍了s d 卡的结构规范、s d 存储卡控制器的控制原理：对s p i 模 式读写s d 卡的程序设计进行了的详细分析。 ( 3 ) 给出基于底层读写程序的f a t l 6 文件格式读写s d 的程序设计，阐述了 以f a t l 6 文件格式向s d 卡读写文件的原理，以及如何利用已有的u s bc d c 协 议实现虚拟串口访问s d 卡的设计。 ( 4 ) 最后测试了系统读取文件及写入文件功能，简要介绍了在整个开发过程 中所使用的调试工具，并对本方案的实现系统进行了分析总结，提出了本方案存 在的不足之处和改进办法。 东北大学硕士学位论文 第1 章综述 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章相关背景知识介绍 第2 章相关背景知识介绍 2 1m c f 5 1j m l2 8 微控制器简介 f r e e s c a l e 公司( 原m o t o r o l a 半导体产品部) 是世界上最大的单片机供应商。它 早在1 9 7 4 年就开始生产8 位的m c 6 8 0 0 系列单片机，c o l d f i r e 是f r e e s c a l e 公司 在m 6 8 0 0 0 基础上开发的3 2 位微处理器与微控制器系列芯片。目前已经推出的 c o l d f i r e 系列芯片内核有v 1 、v 2 、v 3 、v 4 版，c o l d f i r e 内核是变长的r i s c 架 构，内有数据和指令c a c h e 、e m a c 等；片内集成了各种模块，如异常和中断控 制器、密码加速单元( a c u ) 、快速以太网控制器、s d r a m 控制器、d m a 控制 器、f l e x b u s 、u a r t 、q s p i 、1 2 c 、u s b 、f l e x c a n 、e t p u 、a d c 等。c o l d f i r e 既支持b d m 调试，也支持j t a g 调试。到目前为止，c o l d f i r e 系列芯片已有近 百种，不同型号的芯片具有不同的外围接口、不同大小的片内存储器，或者不同 的内核版本等。 采用6 4 引脚l q f p 封装的m c f 5 1 j m l 2 8 是f r e e s c a l e 公司出品的3 2 位微控 制器。m c f 5 1 j m 器件是f l e x i s 系列的最新成员。这些器件的引脚、外设和工具 套件能够兼容s 0 8 j m 系列。m c f 5 1 j m l 2 8 的主要特性有： ( 1 ) 高达5 0 3 3m h z 的c o l d f i r e v l 内核； ( 2 ) 1 2 8 k 闪存； ( 3 ) 1 6 k r a m ； ( 4 ) 四种低功耗模式； ( 5 ) 多功能时钟发生器( m c g ) ； ( 6 ) 双重角色全速u s b 控制器和收发器； ( 7 ) 控制器局域网( c a n ) ； ( 8 ) 两个串行通信接n ( s c d ； ( 9 ) 两个串行外设接e i ( s p i ) ；