前言
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用于消費類電子產品中。特別是近年來，隨著價格不斷下降且存儲容量不斷提高，它的應用范圍日益增廣。當數據采集系統需要長時間地采集、記錄海量數據時，選擇SD卡作為存儲媒質是開發者們一個很好的選擇。在電能監測以及無功補償系統中，要連續記錄大量的電壓、電流、有功功率、無功功率以及時間等參數，當單片機采集到這些數據時可以利用SD作為存儲媒質。本文主要介紹了SD卡在電能監測及無功補償數據采集系統中的應用方案。
設計方案
應用AT89C52讀寫SD卡有兩點需要注意。首先，需要尋找一個實現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。
通訊模式
SD卡有兩個可選的通訊協議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標準的讀寫方式，但是在選用SD模式時，往往需要選擇帶有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。然而，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品的硬件成本。在SD卡數據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據交換，并且目前市場上很多MCU都集成有現成的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計。
雖然AT89C52不帶SD卡硬件控制器，也沒有現成的SPI接口模塊，但是可以用軟件模擬出SPI總線時序。本文用SPI總線模式讀寫SD卡。
電平匹配
SD卡的邏輯電平相當于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。因此，它們之間不能直接相連，否則會有燒毀SD卡的可能。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，應該小于接收電平器件識別為低電平的最高電壓值。
一般來說，通用的電平轉換方案是采用類似SN74ALVC4245的專用電平轉換芯片，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步。但是，這個方案代價相對昂貴，而且一般的專用電平轉換芯片都是同時轉換8路、16路或者更多路數的電平，相對本系統僅僅需要轉換3路來說是一種資源的浪費。
考慮到SD卡在SPI協議的工作模式下，通訊都是單向的，于是在單片機向SD卡傳輸數據時采用晶體管加上拉電阻法的方案，基本電路如圖1所示。而在SD卡向單片機傳輸數據時可以直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經濟又實用。
這個方案需要雙電源供電（一個5V電源、一個3.3V電源供電），3.3V電源可以用AMS1117穩壓管從5V電源穩壓獲取。
硬件接口設計
SD卡提供9Pin的引腳接口便于外圍電路對其進行操作，9Pin的引腳隨工作模式的不同有所差異。在SPI模式下，引腳1（DAT3）作為SPI片選線CS用，引腳2（CMD）用作SPI總線的數據輸出線MOSI，而引腳7（DAT0）為數據輸入線MISO，引腳5用作時鐘線（CLK）。除電源和地，保留引腳可懸空。
本文中控制SD卡的MCU是ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C52，內含8K字節的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256字節的隨機存儲數據存儲器。由于AT89C52只有256字節的數據存儲器，而SD卡的數據寫入是以塊為單位，每塊為512字節，所以需要在單片機最小系統上增加一片RAM。本系統中RAM選用存儲器芯片HM62256，容量為32K。對RAM進行讀寫時，鎖存器把低8位地址鎖存，與P2口的8位地址數據構成16位地址空間，從而可使SD卡一次讀寫512字節的塊操作。系統硬件圖如圖2所示。
軟件設計
SPI工作模式
SD卡在上電初期自動進入SD總線模式，在此模式下向SD卡發送復位命令CMD0。如果SD卡在接收復位命令過程中CS低電平有效，則進入SPI模式，否則工作在SD總線模式。
對于不帶SPI串行總線接口的AT89C52單片機來說，用軟件來模擬SPI總線操作的具體做法是：將P1.5口（模擬CLK線）的初始狀態設置為1，而在允許接收后再置P1.5為0。這樣，MCU在輸出1位SCK時鐘的同時，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數據至AT89C52單片機的P1.7（模擬MISO線），此后再置P1.5為1，使單片機從P1.6（模擬MOSI線）輸出1位數據（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數據輸入輸出便完成。此后再置P1.5為0，模擬下1位數據的輸入輸出，依此循環8次，即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數據的操作。
本文的實現程序把SPI總線讀寫功能集成在一起，傳遞的val變量既是向SPI寫的數據，也是從SPI讀取的數據。具體程序如下：（程序是在Keil uVision2的編譯環境下編寫）
sbit CS=P3^5;
sbit CLK= P1^5;
sbit DataI=P1^7;
sbit DataO=P1^6;
#define SD_Disable() CS=1 //片選關
#define SD_Enable() CS=0 //片選開
unsigned char SPI_TransferByte(unsigned char val)
{
unsigned char BitCounter;
for(BitCounter=8; BiCounter!=0; BitCounter--)
{ CLK=0;
DataI=0; // write
if(val&0x80) DataI=1;
val<<=1;
CLK=1;
if(DataO)val|=1; // read
}
CLK=0;
return val;
}
SD卡的初始化
對SD卡進行操作首先要對SD卡進行初始化，初始化的過程中設置SD卡工作在SPI模式，其流程圖如圖3所示。
在復位成功之后可以通過CMD55和ACMD41判斷當前電壓是否在工作范圍內。主機還可以繼續通過CMD10讀取SD卡的CID寄存器，通過CMD16設置數據Block長度，通過CMD9讀取卡的CSD寄存器。從CSD寄存器中，主機可獲知卡容量，支持的命令集等重要參數。SD卡初始化的C語言程序如下：
unsigned char SD_Init(void)
{ unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
for (i=0;i<0x0f;i++)
{ SPI_TransferByte(0xff); //延遲74個以上的時鐘
}
SD_Enable(); //開片選
SPI_TransferByte(SD_RESET); //發送復位命令
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x00);
SPI_TransferByte(0x95);
SPI_TransferByte(0xff);
SPI_TransferByte(0xff);
retry=0;
do{ temp=Write_Command_SD(SD_INIT,0);
//發送初始化命令
retry++;
if(retry==100) //重試100次
{SD_Disable(); //關片選
return(INIT_CMD1_ERROR);
//如果重試100次失敗返回錯誤號
}
}while(temp!=0);
SD_Disable(); //關片選
return(TRUE); //返回成功
}
數據塊的讀寫
完成SD卡的初始化之后即可進行它的讀寫操作。SD卡的讀寫操作都是通過發送SD卡命令完成的。SPI總線模式支持單塊（CMD24）和多塊（CMD25）寫操作，多塊操作是指從指定位置開始寫下去，直到SD卡收到一個停止命令CMD12才停止。單塊寫操作的數據塊長度只能是512字節。單塊寫入時，命令為CMD24，當應答為0時說明可以寫入數據，大小為512字節。SD卡對每個發送給自己的數據塊都通過一個應答命令確認，它為1個字節長，當低5位為00101時，表明數據塊被正確寫入SD卡。
在需要讀取SD卡中數據的時候，讀SD卡的命令字為CMD17，接收正確的第一個響應命令字節為0xFE，隨后是512個字節的用戶數據塊，最后為2個字節的CRC驗證碼。
可見，讀寫SD卡的操作都是在初始化后基于SD卡命令和響應完成操作的，寫、讀SD卡的程序流程圖如圖4和圖5所示。
結束語
實驗結果表明單片機使用12MHz的晶體振蕩器時，讀寫速度和功耗都基本令人滿意，可以應用于對讀寫速度要求不高的情況下。本文詳細闡述了用AT89C52單片機對SD卡進行操作的過程，提出了一種不帶SD卡控制器，MCU讀寫SD卡的方法，實現了SD卡在電能監測及無功補償數據采集系統中的用途。