SD卡存储采集数据电路设计毕业论文

I 编号： 毕业设计说明书 题目：SDSD 卡存储采集卡存储采集 数据电路设计数据电路设计 题目类型：题目类型：理论研究实验研究 工程设计 工程技术研究软件开发 2012 年 4 月 10 日 II 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。 随着近年来 SD 卡储存容量的大幅度提高，价格降低，其应用范围越来越广泛。当数 据采集系统需要较长的时间来捕捉和记录大量数据时，选择 SD 卡作为存储介质，是一 个非常好的选择。 例如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就可以利用 SD 作为 存储媒质。 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，阐述了基于 STC12C5A60S2芯片主控的DY_mini80E开发板实现数据的采集和数据的SD存储的设计电 路过程和实现方法以及运行得到的结果分析。该系统能同时采集四路周期信号波形，并 将四路模拟电压（0-5V）进行 A/D 转换，每秒钟转换一次，结果转换为 ASCII 码形式， 且四路结果分别存储到 SD 卡预先建立好的 CH1.txt、CH2.txt、CH3.txt、CH4.txt 文档 中。设计在STC12C5A60S2 主控芯片的 DY_mini80E 开发板上，利用开发板上A/D 转换模 块 PCF8591，外接 SD 接口模块，完成了调试实现。 关键词：数据采集；STC12C5A60S2；PCF8591；SD 卡；REG1117-3.3；FAT32 文件系统 III AbstractAbstract Many industry site need data collector of all kinds of data acquisition work completed. Practical application request data collector reliable, low cost, easy to operate, easy to data collection and analysis; Both convenient and PC online, and independently complete the data acquisition, storage work. In recent years, with SD card storage capacity greatly raised, the lower prices, its application scope is more and more widely. When the data acquisition system needs a long time to catch and records of large quantities of data, choose SD card as a storage medium, is a very good choice. For example in the electrical energy monitoring and reactive compensation system, a record a lot of voltage, current, active power, reactive power and parameters such as time, when the SCM acquisition to these data can use SD as storage medium. This 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 process 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 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:Keyword: Data collection;STC12C5A60S2; PCF8591; SD card; REG1117-3.3; FAT32 file system IV 目录 引言 . 2 1方案论证与选择. 3 1.1 设计相关指标分析及系统构成 .3 1.2 主控电路芯片的选择 .3 2 SD 卡简介 . 4 2.1 SD 存储卡系统概念.4 2.1.1 总线拓扑.4 2.1.2 总线协定.6 2.2 SD 卡的引脚定义及 SD 卡的命令.7 2.2.1 SD 卡的引脚定义 .7 2.2.2 SD 卡的命令.8 3硬件设计 . 10 3.1 电源模块 .10 3.2 单片机最小系统 .11 3.2.1 STC12C5A60S2 原理图以及它的特性.11 3.2.2 单片机 STC12C5A60S2 最小系统的组成 .13 3.3 带 SD 卡的 TFT 彩屏 .15 4软件设计 . 18 4.1 软件设计目标 .18 4.2 设计环境 .18 4.3 系统软件设计 .18 4.3.1 系统初始化 .18 4.3.2 SD 卡初始化.19 4.3.3 数据块的读写 .20 4.3.4 SD 卡存储时间和电压流程图.23 V 4.3.5 定时器 T0 函数流程图 .24 4.3.6 主体程序流程图 .24 5结论 . 26 谢辞 . 27 参考文献 . 28 附录 . 29 第 2 页 共 36 页 引言 随着近年来 SD 卡储存容量不断大幅度提高， 价格不断降低， 其应用范围越来越广泛。 当数据采集系统需要较长的时间来捕捉和记录大量数据时，选择 SD 卡作为存储介质， 是一个非常好的选择。就如在电能监测系统中，要连续记录大量的电压、电流及时间等 参数，当采集到这些数据时就可以利用 SD 作为存储媒质。 SD 卡是由日本松下、东芝及美国 SanDisk 公司于 1999 年 8 月共同开发研制。大小 不足一张邮票的 SD 一记忆卡，重量不足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。 SD 卡在 24mm32mm2.1mm 的体积内结合了 SanDisk 快闪一记忆卡控制与 MLC 技术和 Toshiba(东芝)0.6u 及 0.13 u 的 NAND 技术， 通过9针的接口界而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。SD 卡的技术建立是基于 MultiMwdia 卡 (MMc)格式上发展而来，大小和 MMC 差不多。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。 采用 SD 卡存储技术设计一款低成本数据采集模块。该数据采集模块可与 PC 机共同 实现数据采集与分析， 也可长时间独立工作于工业现场， 并将采集数据存放于大容量 SD 卡，便于数据收集并利用计算机分析。该数据采集模块，结构简单，工作稳定，体积小， 成本低。 单片机是智能化模块，有数据存储、读写的功能，并且支持汇编和 C 语言编程，在 工作电压稳定的条件下可以实现长时间稳定的工作，而且还具有价格低廉的优势。在读 写 SD 卡中，单片机比 PC 机更适合在现场长时间工作。而 STC12C5A60S2 系列单片机价 格便宜、性能稳定。基于此特点，设计采用 PCF8591 进行 A/D 转换，用 STC12C5A60S2 单片机对 SD 卡进行读写操作。 第 3 页 共 36 页 1方案论证与选择 1.1 设计相关指标分析及系统构成 设计要求是将四路模拟电压进行数字化后存储到 SD 存储卡中。具体说明如下: （1）将四路模拟电压（0-5V）进行 A/D 转换，转换结果为十进制 3 位有效数字。 （2）要求每秒钟各路都转换一次，并将结果转换为 ASCII 码形式，如 1.23V。 （3）四路结果分别存储到 SD 卡预先建立好的 CH1.txt、CH2.txt、CH3.txt、CH4.txt 文档中。 图 1.1 是 SD 卡存储采集数据电路设计框图。 系统要完成模拟电压的 A/D 转换， 每秒 钟各自转换一次，结果分别存到建立好的 SD 卡中的文档中。 电源 A 通道输入（ 按键 （采集与清除） 采四 (PCF8591)A/D 集路 B 通道输入模 、 带 拟 电 压 C 通道输入卡 ） （ 的 主 控 D 通道输入芯 彩 片转 屏 换 ( SD 0V-5V) TFT ) 图 1.1 SD 卡存储采集数据电路设计框图 STC12C5A60S2 卡 存 储 与 彩 屏 显 示 SD 1.2 主控电路芯片的选择 方案一：AVR 单片机上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD， WDT 等；AVR 除了有 ISP 功能外，还有IAP 功能，方便升级应用程序； AVR 单片机系列齐 全,可适用于各种不同场合的要求。具有高的处理速度，能够非常容易、快速地处理复 杂的数字信号。 方案二：采用 STC12C5A60S2 单片机实现整个系统的统一控制和数据处理。单片机 STC12C5A60S2 是一种超低功耗微处理器, 具有丰富的片上外设和较强的运算能力, 支 持在线编程, 使用十分方便, 性价比较高。 由 STC12C5A60S2 芯片主控 DY_mini80E 开发 板（板上含有 PCF8591 八位 A/D 转换模块）再加上一块带 SD 卡的 TFT 彩屏等就可以满 足题目设计调试要求。设计采用此方案。 第 4 页 共 36 页 2 SD 卡简介 2.1 SD 存储卡系统概念 2.1.1 总线拓扑 （1）SD 模式总线 SD 总线信号： CLK: 主设备对卡发出的时钟讯号。 CMD: 双向命令/响应讯号。 DAT0-DAT3: 4 个双向数据传输信号。 VDD、VSS1、VSS2: 电源与地。 SD 模式总线有主机(应用程序)，从机(卡)，同步的星型拓扑(如图 2.1)。时钟、电 源、地连接到所有卡。命令(CMD)和数据(DAT0- DAT3)信号对每个卡提供点到点的连接。 在发初始化命令给每张卡的时候， 允许应用程序发现并分配逻辑地址给卡此时数据总是 单独地被送到每个卡。然而，在初始化之后，所有的命令就可以同时送到所有的卡，为 了分开控制堆叠中的卡，而将地址信息包含在命令包中。 主机 Clk Vdd Vss D0-3(a) Cmd(a) Clk Vdd Vss D0-3(b) Cmd(b) Clk Vdd Vss D0-3(c) Cmd(c) SD 存储卡（a） SD 存储卡（b） SD 存储卡（c） 图 2.1 SD 模式总线拓扑图 SD 总线允许动态的配置数据线的数目。在上电后，SD 存储卡默认的只使用 DAT0 作 为数据传输线。在设定初值之后主机能改变总线宽度(即改为 2 根线或 3 根线等。 ） 第 5 页 共 36 页 （2）SPI 模式总线 SD存储卡的兼容通信模式被设计为连接SPI通道， 被用在各种微控制器中。 如图2.2。 这种模式在上电后的第一次复位时选择使用，在重新上电之前不能变更。SPI 标准只定 义实际的连接，和不完全的数据转移协定。SD 卡的 SPI 模式使用在 SD 模式下相同的模 式。从应用程序观点来看，SPI 模式使用的是现有的设备，这样就使得主机系统通过很 小的改动就可以使用 SD 卡。 缺点是数据传输效率的损失， 相对 SD 模式减小了总线宽度。 SD 存储卡的 SPI 接口能连接到具有 SPI 接口的现有主机上。 和任何其他的 SPI 设备 一样，SD 存储卡的 SPI 接口如下四种信号组成: CS: 主机到卡的片选信号。 CLK: 主机到卡的时钟信号。 DataIn: 主机到卡的数据信号。 DataOut: 卡到主机的数据信号。 SPI 的另一个特性是字节方式的传输，在卡中也一样。所有的数据都是字节(8 位) 的集合，而且总是字节排列好等待 CS 信号。 图 2.2 SPI 模式总线拓扑 卡的区别和寻址方式被片选(CS)信号代替。 每个命令都是被 CS 信号是低电平的那张 卡接收。 CS 信号在 SPI 处理时(命令传输、响应和数据传物必须是一直有效的。SPI 使用 SD 模式中 9 根信号线中的 7 根(DAT1. DAT2 不使用，DAT3 是 CS 信号)。 第 6 页 共 36 页 2.1.2 总线协定 （1）SD 总线 SD 总线上的通信是基于命令和数据位流， 开始于启动位、 结束于停止位， 如图 2.3。 命令: 一个命令是启动一个操作的记号。每条命令都可以从主机发出，被唯一的卡 接收(定址命令)，或被全部卡接收(广播命令） 。命令可以在 CMD 线上被连续的传输。 响应:响应可以由被定址的卡发出，或者所有的卡(同时)向主机发出对先前命令的 应答。响应可以在 CMD 线上连续的传输。 数据:数据能从卡传输到主机，反之亦然，数据经由数据线传输。 卡使用一个中间地址来实现寻址，在设定初始相位期间中间地址被分配到卡上。SD 总线上的基本操作是命期响应方式。 这种总线处理方式是直接在命令或响应结构里面传 递他们的信息。此外，有些操作带有数据。 R1、R3、R6 开始位 R2 图 2.3 响应的方式 传递到 SD 卡或从卡中传出的数据是包含在数据块中的。 CRC 位标志了数据块传输的 0 响应位 0 00 开始位 响应的内容：反映了命令和状态信息 （R1 响应） ，ORG 寄存器（R3 响应）或 RCA（R6） ，被一个 7bitCRC 核对和保护 响应位 结束位 CONTENT 总长度=48 字节 CONTENT=CID or CSD 总长度=136 字节 CRC 1 结束位 1 成功完成； 单一块和多重块的操作是预先定义的； 注意多重块操作模式有利于快速写入； 当一个停止命令在 CMD 线上出现的时候，一个多重块传输结束。数据转移可以根据主机 的配置使用单根或多根数据线(只要卡支持)。 每个命令以一个起始位0开始以一个截止位1结束，总长度是 48 位。每段指 令都被 CRC 位保护以便传输错误时能被发现，而且运算可能是重复的。 响应根据其内容，有四种编码方式。长度不是 48 位就是 136 位。数据块的 CRC 保护 算法为多名的 16 位的 CCITT。 在 CMD 线中 MSB 位先传愉，LSB 位后传输。当使用宽总线时，数据一次传输 4 位。 第 7 页 共 36 页 每一根 DAT 线都要传输开始位、 结束位和 CRC 位。 CRC 位被每根 DAT 线单独计算并核对。 CRC 状态响应和忙指示只会在 DAT0 上由卡向主机传输(DAT1-DAT3 在此期间与此无关)。 （2）SPI 总线 SD 通道以指令和以起始位开始以停止位结束的数据位流为基础，SPI 通道是被定向 的位组。 每个命令或数据块都被组装为 8 位的字节并且是被排齐到 CS 信号的字节(即长 度是 8 个时钟周期的循环)。类似 SD 协议，SPI 信息也是由命令、响应和数据块所组成。 所有的通信在主机和卡之间被主机控制。主机处理总线上 CS 信号为低电平的那个。 响应的行为在 SPI 模式里有三个方面不同于 SD 模式: 被选择的卡总是回应命令。 响应使用为两种新的(8 /*- 读 AD 转值程序 输入参数 Chl 表示需要转换的通道，范围从0-3 返回值范围 0-255 -*/ unsigned char ReadADC(unsigned char Chl) unsigned char Val; Start_I2c(); /启动总线 SendByte(AddWr); /发送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(0 x40|Chl); /发送器件子地址 if(ack=0)return(0); Start_I2c(); SendByte(AddRd); if(ack=0)return(0); Val=RcvByte(); NoAck_I2c(); /发送非应位 Stop_I2c(); /结束总线 return(Val); 第 31 页 共 36 页 附件 C：SD 卡程序 #include sd.h #include myfun.h /这是振南的公共函数头文件 bit is_init; /在初始化的时候设置此变量为1,同步数据传输（SPI）会放慢 unsigned char bdata _dat; sbit _dat7=_dat7; sbit _dat6=_dat6; sbit _dat5=_dat5; sbit _dat4=_dat4; sbit _dat3=_dat3; sbit _dat2=_dat2; sbit _dat1=_dat1; sbit _dat0=_dat0; /* - 功能描述：IO 模拟 SPI，发送一个字节 - 隶属模块：SD 卡模块 - 函数属性：内部 - 参数说明：x 是要发送的字节 - 返回说明：无返回 - 注：其中 is_init 为 1 时，写的速度放慢，初始化SD 卡 SPI 速度不能太高 */ void SD_spi_write(unsigned char x) _dat=x; SD_SI=_dat7; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat6; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat5; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat4; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; 第 32 页 共 36 页 if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat3; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat2; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat1; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SI=_dat0; SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); /* - 功能描述：IO 模拟 SPI，读取一个字节 - 隶属模块：SD 卡模块 - 函数属性：内部 - 参数说明：无 - 返回说明：返回读到的字节 */ unsigned char SD_spi_read() /SPI读一个字节 SD_SO=1; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat7=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat6=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); 第 33 页 共 36 页 SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat5=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat4=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat3=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat2=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat1=SD_SO; SD_SCL=1; if(is_init) delay(DELAY_TIME); SD_SCL=0; if(is_init) delay(DELAY_TIME); _dat0=SD_SO; return (_dat); /* - 功能描述：向 SD 卡写命令 - 隶属模块：SD 卡模块 - 函数属性：内部 - 参数说明：SD 卡的命令是 6 个字节，pcmd 是指向命令字节序列的指针 - 返回说明：命令写入后，SD 卡的回应值，调用不成功，将返回0 xff */ unsigned char SD_Write_Cmd(unsigned char *pcmd) /向 SD 卡写命令，pcmd 是命令字节序列的首地址 unsigned char temp,time=0; SD_CS=1; SD_spi_write(0 xff); /提高兼容性，如果没有这里，有些SD 卡可能不支持 SD_CS=0; 第 34 页 共 36 页 SD_spi_write(pcmd0); SD_spi_write(pcmd1); SD_spi_write(pcmd2); SD_spi_write(pcmd3); SD_spi_write(pcmd4); SD_spi_write(pcmd5); do temp = SD_spi_read();/一直读，直到读到的不是0 xff 或超时 time+; while(temp=0 xff) return(temp); /* - 功能描述：复位 SD 卡，用到 CMD0，使用 SD 卡切换到 SPI 模式 - 隶属模块：SD 卡模块 - 函数属性：外部，供用户调用 - 参数说明：无 - 返回说明：调用成功，返回0 x00，否则返回 INIT_CMD0_ERROR (sd.h中有定义) */ unsigned char SD_Reset()/SD卡复位，进入 SPI 模式，使用 CMD0（命令 0） unsigned char time,temp,i; unsigned char pcmd = 0 x40,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x95; /命令 0 的字节序列 is_init=1; /将 is_init 置为 1 SD_CS=1; /关闭片选 for(i=0;i0 x0f;i+) /初始时，首先要发送最少74 个时钟信号，这是必须的！ ！ ！ SD_spi_write(0 xff); /120个时钟 SD_CS=0; /打开片选 time=0; do temp=SD_Write_Cmd(pcmd);/写入 CMD0 time+; if(time=TRY_TIME) SD_CS=1; /关闭片选 return(INIT_CMD0_ERROR);/CMD0写入失败 while(temp!=0 x01); SD_CS=1; /关闭片选 SD_spi_write(0 xff); /按照 SD 卡的操作时序在这里补8 个时钟 return 0;/返回 0,说明复位操作成功 第 35 页 共 36 页 /* - 功能描述：初始化 SD 卡，使用 CMD1 - 隶属模块：SD 卡模块 - 函数属性：外部，供用户调用 - 参数说明：无 - 返回说明：调用成功，返回0 x00，否则返回 INIT_CMD1_ERROR (sd.h中有定义) */ unsigned char SD_Init() /初始化，使用 CMD1（命令 1） unsigned char time,temp; unsigned char pcmd = 0 x41,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 xff; /命令 1 的字节序列 SD_CS=0; /打开片选 time=0; do temp=SD_Write_Cmd(pcmd); time+; if(time=TRY_TIME) SD_CS=1; /关闭片选 return(INIT_CMD1_ERROR);/CMD1写入失败 while(temp!=0); is_init=0; /初始化完毕，将 is_init 设置为 0,为了提高以后的数据传输速度 SD_CS=1; /关闭片选 SD_spi_write(0 xff); /按照 SD 卡的操作时序在这里补8 个时钟 return(0); /返回 0,说明初始化操作成功 /* - 功能描述：将 buffer 指向的 512 个字节的数据写入到 SD 卡的 addr 扇区中 - 隶属模块：SD 卡模块 - 函数属性：外部，供用户调用 - 参数说明：addr:扇区地址 buffer:指向数据缓冲区的指针 - 返回说明：调用成功，返回0 x00，否则返回 WRITE_BLOCK_ERROR (sd.h中有定义) - 注：SD 卡初始化成功后，读写扇区时，尽量将SPI 速度提上来，提高效率 */ unsigned char SD_Write_Sector(unsigned long addr,unsigned char *buffer) /向 SD 卡中的指定地址的扇区写入 512 个字节，使用 CMD24（命令 24） unsigned char temp,time; unsigned int i; unsigned char pcmd = 0 x58,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 xff; 第 36 页 共 36 页 /向 SD 卡中单个块（512 字节，一个扇区）写入数据，用CMD24 addr24); /将字节地址写入到 CMD24 字节序列中 pcmd2=(addr pcmd3=(addr SD_CS=0;/打开 SD 卡片选 time=0; do temp=SD_Write_Cmd(pcmd); time+; if(time=TRY_TIME) SD_CS=1; /关闭片选 return(temp); /命令写入失败 while(temp!=0); for(i=0;i100;i+) /这