應(yīng)用SD卡實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉 濤, 蔡 航

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.陜西省木材總公司， 陜西 西安 710002)

0 前 言

存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一種測(cè)試方法，其特點(diǎn)是在對(duì)被測(cè)對(duì)象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測(cè)體或測(cè)試現(xiàn)場放置微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)測(cè)試儀，進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息的快速采集與記憶，事后由計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、再現(xiàn)測(cè)試現(xiàn)場信息等的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù).在自動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，有兩方面的問題需要關(guān)注：一方面存儲(chǔ)測(cè)試裝置往往要求安裝于被測(cè)對(duì)象環(huán)境中，甚至安裝于對(duì)象內(nèi)部，并能長時(shí)間離線工作，這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊湊，并且功耗低；另一方面，隨著應(yīng)用中對(duì)測(cè)試參數(shù)、測(cè)試精度和測(cè)試時(shí)間要求的增加，數(shù)據(jù)的記錄信息量相應(yīng)倍增，而存儲(chǔ)內(nèi)容又需要掉電保持，并能在隨后方便的被上位計(jì)算機(jī)回收，因此大容量數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)與回收成為存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題，而具有大容量存儲(chǔ)器件的嵌入式裝置是存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展的主要形式.

1 大容量存儲(chǔ)方法的分析

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，各類51內(nèi)核的單片機(jī)系統(tǒng)，一般片上最多僅提供8 k的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，片外則具有最大64 kB的尋址能力.在一般情況下，這樣是可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的，但是在某些場合需要連續(xù)采集、處理和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，同時(shí)存儲(chǔ)器不允許刷新，當(dāng)存儲(chǔ)信息超越64 kB的存儲(chǔ)容量時(shí)就需要解決所謂大容量存儲(chǔ)的問題.在單片機(jī)中，通常64 kB 以上的RAM并行擴(kuò)展方法是利用其他空閑的并口線來增加地址線，以獲得更大的地址訪問空間.

在數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)方面，RAM易揮發(fā)性，屬于Volatile Memory，不適合在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中作為安全穩(wěn)定的存儲(chǔ)介質(zhì)，因此擴(kuò)展方式主要是采用大容量可擦除型的ROM.在嵌入式數(shù)據(jù)采集器中，F(xiàn)lash ROM存儲(chǔ)器具有容量大、體積小、功耗小、成本低、掉電后數(shù)據(jù)不丟失、讀寫訪問速度高、抗震性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的存儲(chǔ)器件.目前Flash ROM有多種技術(shù)架構(gòu)，以NOR技術(shù)和NAND技術(shù)為主流技術(shù).NOR FLASH 是隨機(jī)存取的設(shè)備，與單片機(jī)接口簡單、性能可靠、讀取速度快于NAND型，帶有SRAM接口，可以很容易地存取其內(nèi)容的每一字節(jié)，但缺點(diǎn)是單片存儲(chǔ)容量小，適合16 MB 以下的存儲(chǔ)容量使用.NAND FLASH存儲(chǔ)容量大，是線性存取的設(shè)備，基本存儲(chǔ)單元是頁(Page)，每一頁的有效容量是512字節(jié)的倍數(shù)，擦除和寫入速度快于NOR型，適合大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用，但缺點(diǎn)是與單片機(jī)的接口復(fù)雜，尤其是器件中隨機(jī)分布有存儲(chǔ)器壞塊，并且在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)可能因位反轉(zhuǎn)造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，這給芯片直接應(yīng)用造成了較大困難.

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大容量存儲(chǔ)的另外一個(gè)選擇就是電子硬盤類Flash，即各類常見的智能存儲(chǔ)卡，包括CF卡、SD卡、MMC卡等，此類卡具有統(tǒng)一規(guī)格的外部接口，可以通過并行口或SPI串行總線與單片機(jī)連接，同時(shí)內(nèi)部通過糾錯(cuò)算法保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高可靠性，此外還有低價(jià)格、大容量、低功耗、移動(dòng)存儲(chǔ)、抗沖擊振動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn).

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)組成框圖

本文提出以低成本嵌入式51內(nèi)核單片機(jī)為控制器，配以SD(Secure Digital Memory Card)卡作為安全存儲(chǔ)介質(zhì)的方案，為用戶提供參數(shù)可調(diào)整的低功耗、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，并利用USB設(shè)備(如SD卡讀卡器)方便實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)回收.MCU完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等操作；若干傳感檢測(cè)電路通過各自的采樣通道，將測(cè)試數(shù)據(jù)傳送到MCU；實(shí)時(shí)鐘電路為存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)；SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路以文件管理控制芯片CH376為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的FAT格式讀寫訪問，目前SD卡的容量已達(dá)GB級(jí)別，這樣的設(shè)計(jì)可以靈活的實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題.因?yàn)镾D卡的讀寫速度相對(duì)于某些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集任務(wù)而言是比較慢的，應(yīng)用中無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所以需要為讀寫SD卡提供一定數(shù)量的高速緩存，這里設(shè)計(jì)外擴(kuò)一片62256RAM，將采集的數(shù)據(jù)先保存在RAM中，待數(shù)據(jù)量達(dá)到一定規(guī)模(如512 B或其整數(shù)倍數(shù)，最大65 535 B)，或結(jié)束了一段集中高速采樣后，利用系統(tǒng)采樣空閑時(shí)段，再將數(shù)據(jù)塊一次性寫入SD卡中.系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.

圖2 SD卡硬件結(jié)構(gòu)

2.2 SD卡訪問方式

一張SD卡包含兩個(gè)基本部分: NAND型Flash存儲(chǔ)模塊和內(nèi)置控制器.Flash存儲(chǔ)模塊用來以扇區(qū)(512 B)為單位存儲(chǔ)數(shù)字信息，控制器用來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的接口及控制數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)模塊中的傳輸.SD卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖2所示.

SD卡支持兩種總線訪問方式：SD方式與SPI方式，其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0～DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，有較快的存取速度，一般通過帶USB接口的 SD卡讀卡器與SD卡通信時(shí)多采用此模式；而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn(DI)、DataOut(DO)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于許多51內(nèi)核單片機(jī)已經(jīng)提供了SPI接口，即便沒有SPI接口，也可以很容易地通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)SPI協(xié)議通訊，所以采用單片機(jī)對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫時(shí)一般都采用SPI模式.

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

為了使電路更具通用性，這里簡化了MCU的選取，以通用的AT89S52為對(duì)象介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì).

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)最終是要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)回收的，所以要求SD卡上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息應(yīng)該是Windows系統(tǒng)能夠識(shí)別的FAT格式，利用單片機(jī)直接設(shè)計(jì)以SPI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的FAT格式數(shù)據(jù)存取，其程序比較復(fù)雜，與存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)程序相加將會(huì)占用過多的代碼存儲(chǔ)資源，為此本設(shè)計(jì)使用CH376實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的SPI方式訪問控制.CH376是文件管理控制芯片，專用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫 U 盤或者 SD 卡中的文件，它內(nèi)置了SD卡的通訊接口固件及FAT文件系統(tǒng)的管理固件，以字節(jié)為單位對(duì)文件讀寫，支持8 位并口、SPI 接口或者異步串口等3種通訊接口，支持低功耗模式，能為存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)提供穩(wěn)定的存儲(chǔ)保證.在本通用設(shè)計(jì)中，CH376選用并口方式連接MCU，同時(shí)并口擴(kuò)展32 kB的62256RAM，這樣既可以為高速數(shù)據(jù)采集提供數(shù)據(jù)緩存，又可以減少寫入率，避免因連續(xù)不斷進(jìn)行SD卡寫入操作，造成頻繁刷新FAT表而大大降低SD卡FAT區(qū)的使用壽命.大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的硬件電路如圖3所示，AT89S52的P1.7作為報(bào)警輸出，其余P1.1～1.6留給輸入通道.

表1 SD卡與SPI模式下引腳功能定義

電路設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重點(diǎn)問題是電源匹配，SD卡是3.3 V供電，而通用單片機(jī)則為5 V供電，在設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行CH376輸出SPI總線電平轉(zhuǎn)換，一種簡易的方法是如圖4中所示，在所有與SD卡SPI接口連接的信號(hào)線中分別串聯(lián)1 k左右的分壓電阻.圖中J1為11腳SD卡座，提供系統(tǒng)與SD卡的連接，卡座管腳定義與SD卡在SPI模式下的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1.除了SPI接口及電源引腳外，WP引腳接至AT89S52的P3.1，反映SD卡當(dāng)前是否設(shè)置寫保護(hù)，該引腳為高電平為禁止寫入，否則為低電平；INSERT引腳接至AT89S52的P3.0，反映SD卡是否插入卡座，完全插入時(shí)該引腳為低電平，否則為高電平，其他引腳保留.圖4是SD卡卡座電平轉(zhuǎn)換電路.

圖3 大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分硬件電路圖

2.4 SD卡控制軟件設(shè)計(jì)

在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中，可以將采集的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)于同一文件中，待數(shù)據(jù)文件回收后，再由上位計(jì)算機(jī)提取并分析.根據(jù)文件可能的大小，應(yīng)該事先對(duì)SD卡格式化為FAT16或FAT32，并由上位機(jī)軟件對(duì)SD卡完成兩個(gè)操作，首先創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)記錄空文件DATA.txt，作為應(yīng)用中數(shù)據(jù)追加記錄的對(duì)象文件；其次應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)初始化文件，向存儲(chǔ)測(cè)試裝置提供工作的初始化參數(shù)，如校對(duì)實(shí)時(shí)鐘時(shí)間、數(shù)據(jù)采樣精度和通道數(shù)、采樣頻率、休眠及開啟閾值、系統(tǒng)應(yīng)用信息等，這樣待SD卡插入卡座并激活存儲(chǔ)測(cè)試裝置時(shí)，系統(tǒng)就可以按照給定的工作方式開始記錄了.

圖4 SD卡卡座電平轉(zhuǎn)換電路

對(duì)本存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)分析可以發(fā)現(xiàn)，在眾多的SD卡磁盤操作中，主要進(jìn)行的是大量數(shù)據(jù)的記錄存儲(chǔ)，即對(duì)磁盤文件的追加寫操作，其次是對(duì)初始化文件的讀操作.由于 CH376 不僅是一個(gè)通用的 USB-HOST 硬件接口芯片，還內(nèi)置了相關(guān)的 USB底層傳輸固件程序、Bulk-Only 協(xié)議傳輸固件程序、FAT 文件系統(tǒng)管理固件程序，所以實(shí)際的單片機(jī)程序只需要發(fā)出文件管理和文件讀寫命令就可以方便地實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求了.單片機(jī)控制CH376實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡以字節(jié)模式的寫入操作，主要過程包括SD卡初始化、向已有文件追加數(shù)據(jù)、保存文件并關(guān)閉文件.讀取文件的操作與之類似，主要包括SD卡初始化、按順序讀文件、關(guān)閉文件.CH376為此提供了39條指令以實(shí)現(xiàn)不同的功能，每條命令有唯一的指令代碼，在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中，控制CH376的A0引腳為高電平(本例中即對(duì)地址0FFFFH讀寫)，就可以進(jìn)行寫命令或讀狀態(tài)操作.圖5給出了向SD卡存儲(chǔ)一組緩存中數(shù)據(jù)的子程序框圖.

圖5 緩存數(shù)據(jù)寫入SD卡程序流程圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的大容量SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式很好地解決了存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)在采集信息量大、需要長期離線工作時(shí)數(shù)據(jù)的安全保存問題，又具有FAT存儲(chǔ)格式及易于實(shí)現(xiàn)USB接口，使得與上位計(jì)算機(jī)交換存儲(chǔ)數(shù)據(jù)變得很方便，從而簡化了采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和可操作性.本設(shè)計(jì)具有很好的移植性，根據(jù)實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的需求，可以適用各類51內(nèi)核單片機(jī)及其他嵌入式控制系統(tǒng)，例如可以選用片內(nèi)集成8KRAM的P89C668等單片機(jī)，省略RAM擴(kuò)展及并行電路，而使用SPI串行總線方式與CH376通訊可節(jié)省單片機(jī)并口資源，提高系統(tǒng)可靠性；也可以選用AT89LS52等3.3 V低電壓供電單片機(jī)，并啟用CH376低功耗模式及以程序控制SD卡斷續(xù)供電等手段，實(shí)現(xiàn)具有長久續(xù)航能力的多參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).

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