AT89S52單片機(jī)和FAT16文件的SD卡讀寫設(shè)計(jì)

引 言

長期以來，閃存卡(SD卡、MMC卡等)因其體積小、功耗低、容量大和非易失性等特點(diǎn)，在嵌入式存儲領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。特別是近年來，隨著閃存技術(shù)的發(fā)展，閃存卡價(jià)格不斷下降且存儲容量不斷提高。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長時(shí)間地采集和記錄海量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用SD卡作為存儲介質(zhì)是很好的選擇，例如電能檢測、溫度濕度檢測、病人心肺數(shù)據(jù)記錄等。FAT16文件系統(tǒng)是。Microsoft公司在其MS-DOS 操作系統(tǒng)中采用的文件系統(tǒng)，具有出色的文件管理性能，能被當(dāng)前大多數(shù)操作系統(tǒng)識別。因此，將SD卡與FAT16文件系統(tǒng)相結(jié)合是嵌入式數(shù)據(jù)存儲、記錄系統(tǒng)的理想方案，可以將采集記錄的數(shù)據(jù)直接在PC上讀取和處理。本文研究和設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)和FAT16文件系統(tǒng)的SD卡讀寫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案介紹

本系統(tǒng)采用MCS-51架構(gòu)的AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一種低成本、低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。應(yīng)用AT89S52讀寫SD卡，首先要確定它們之間的通信方案。SD卡有2種可選的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式。 SD模式是SD卡的標(biāo)準(zhǔn)讀寫方式，選用此模式需要選擇帶SD卡控制接口的MCU或者額外的SD卡控制單元;SPI模式通過SPI總線完成SD卡與主控制器的通信。AT89S52沒有集成SD卡控制器，為了不增加額外的SD卡控制單元硬件成本，本設(shè)計(jì)方案采用SD卡的SPI通信模式。雖然AT89S52也沒有集成SPI接口模塊，但可以用軟件的方式模擬SPI接口時(shí)序。

另外一個(gè)要解決的問題是SD卡與AT89S52的電平匹配。SD卡的邏輯電平相當(dāng)于3.3 V的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，AT89S52的邏輯電平為5 V CMOS電平。

解決電平匹配問題的原則有2條：一為輸出電平器件輸出的高電平的最小值，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SsD卡在SPI工作模式下，數(shù)據(jù)的傳輸都是單向的，這樣可以在單片機(jī)向SD卡傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用晶體管加下拉電阻的方法，基本電路如圖1所示。而在 SD卡向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以采用直接連接，因?yàn)樗鼈冎g的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。這個(gè)方案需要雙電源供電，1個(gè)5 V電源，1個(gè)3.3 V電源。

2 AT89S52與SD卡接口電路設(shè)計(jì)

2.1 SD卡接口規(guī)范

SD卡工作在2.7～3.6 V電壓下，圖2是普通SD卡的結(jié)構(gòu)示意圖和引腳排列圖，表1列出了各引腳在SPI模式下的定義和功能描述。主機(jī)與SD卡之間通過指令來實(shí)現(xiàn)交互。

2.2 接口電路設(shè)計(jì)

AT89S52內(nèi)有256字節(jié)的RAM，由于SD卡數(shù)據(jù)的讀出與寫入是以塊為單位的，而每塊為512字節(jié)，所以需要在單片機(jī)的最小系統(tǒng)上擴(kuò)展1片RAM。本系統(tǒng)選用的RAM芯片為HM62256，容量32KB。系統(tǒng)硬件電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 FAT16文件系統(tǒng)

FAT16文件系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

主引導(dǎo)記錄區(qū)(Main BootRecord，MBR)位于物理磁盤第零扇區(qū)。MBR中有硬盤分區(qū)記錄表(Disk Partition Table，DPT)，DPT記錄了各邏輯分區(qū)的相對偏移。SD卡不支持多分區(qū)，在1個(gè)SD卡中只有1個(gè)分區(qū)，因此在SD卡上的DPT只有1個(gè)分區(qū)表項(xiàng)被占用。系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)(DOS Boot Record，DBR)位于磁盤邏輯分區(qū)的第0扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可以訪問的第1個(gè)扇區(qū)，它其中包含1個(gè)稱為BPB(Bios Parameter Block)的本分區(qū)參數(shù)記錄表。BPB記錄著本分區(qū)的根目錄大小、FAT、