Freescale单片机的SD卡数据读写设计
【摘要】本文讨论了使用Freescale单片机对SD卡进行文件读写的实现方式。针对SD的电平特点，给出了SD卡与单片机的接口电路。针对SD的SPI通讯模式，阐述了SD的初始化和读写程序需要注意的问题，最后通过读写实例验证了设计。
【关键词】SD；Freescale；SPI
1.引言
通过车载传感器对发动机参数采集和存储，Electronic Control Unit（ECU）可以判断发动机的工作状态和工作趋势。许多车载传感器[1]（例如燃油质量传感器）需要对发动机参数进行长期监控，单片机作为控制器件，其数据存储资源十分有限。Secure Digital（SD）卡具有大容量、小体积、低功耗、非易失性以及兼容MMC卡等特点，是理想选择。
部分文章已介绍了单片机（如PIC、C51等）读写SD卡的应用实例[2，3]，但这些单片机在汽车领域使用较少。本文以Freescale公司的MC9S12XEP100[4]单片机为控制器，通过PC将图片文件存入SD卡，并将数据送入彩色液晶上实现循环播放实验，探讨了Freescale单片机对SD卡文件读写的设计方法，该方法可广泛应用于车载传感器的数据存储单元。
2.硬件系统
2.1 SD卡的硬件特性
SD卡[5]主要由存储芯片和控制芯片组成，SD卡控制芯片负责对数据的读写控制。其工作电压为2.7-3.6V。每次对SD卡进行数据读写时的最小单位是1个扇区，即512Byte。SD卡支持两种操作模式，SD模式和SPI模式，因单片机的IO口资源限制，大多数应用都选择SPI模式。
SD总线模式包含4根数据线和1根命令线，传输速度可达到100Mbit/s。SPI模式是4线制总线，SPI模式下的接口定义参见表1。
表1 SPI模式接口定义
引脚 名称 功能 引脚 名称 功能
1 CS 片选 6 Vss 地
2 DI 数据输入 7 DO 数据输出
3 Vss 地 8 RSV 保留
4 Vcc 3.3V电源 9 RSV 保留
5 CLK 时钟
2.2 Freescale单片机特点
Freescale推出的16位MC9S12XE系列单片机具有增强的系统集成性和更好的功能性[6]。其内部PLL超频能力能显著降低对外部频率源的主频的需求，从而提高单片机的抗干扰能力。XGATE核能协处理I/O中断需求，从而降低主核的任务量。另外，其具有EEPROM、FLASH以及丰富的I/O资源（例如SPI、ECT、CAN2.0等），可满足汽车领域严苛的应用环境需求。
2.3 硬件系统
实验系统组成如图1，单片机通过SPI总线与SD通信，并通过并口与彩色液晶模块进行通信。SD需由LDO电源转换芯片供电。
图1 实验系统原理框图
3.程序设计
SD卡的实验系统工作过程如下：a.由上位机软件对待处理数据进行格式转换，生成二进制文件。b.将文件拷入SD卡，拷贝前需要对SD卡进行以FAT格式化，以确定存储位置的首地址。C.实验系统上电后，进入SD卡读写程序读取相应文件，并进行显示。
单片机完成初始化后，在RAM中缓冲512 bytes，并送LCD显示；当i=300时，表明1幅图像显示完成。程序共设置了5幅图像循环显示，软件流程图如图2所示。
图2 软件流程图
3.1 SD卡初始化
系统上电后SD卡默认进入SD模式，需设置SPI模式以及单块读写的数据长度。当CS处于低电平时，发送CMD0，发送完毕后，接受R1回应，判断SD卡是否正确接受指令。CMD0使得SD进入IDLE状态，CMD1激活SD卡的初始化过程，等待R1判断SD卡是否处于激活状态。CMD16指令设置读写块的大小为512Byte。需等待至少74个时钟周期。初始化流程参如图3所示。
图3 SPI初始化流程
3.2 读写程序
读程序过程如图4所示，单片机通过CMD17指令读取SD卡扇区数据，若成功SD卡返回R1响应，单片机对512byte数据进行缓存。写程序过程见图5，CMD24指令作为SD卡的写入指令，若SD卡成功响应则返回R1，单片机从缓存区写入512bytes数据。
图4 读程序
图5 写程序
图6 SD卡文件显示效果
3.3 图片格式
本文所使用彩色液晶分辨率[7]为QVGA，16位真彩色格式。实现实验图片正常显示，需要解决2个问题：图像的格式和图像数据量。一方面，Freescale单片机应用通常不具备操作系统，因此需要将.jpg、.gif、.bmp文件转换成二进制文件.bin格式。另一方面，根据彩色液晶模块的分辨率特点，可根据公式（1），得出显示图片的数据是：
320×240×2-153600bytes （1）
显然，当需要显示多幅图片时对单片机的存储开销十分巨大，需要借助SD卡的存储能力。由SD卡的读写单位是512bytes，可得出1幅图像占用的扇区数为：
（2）
4.实验
本文选取MC9S12XEP100单片机搭建的实验系统对SD卡读写接口程序进行了验证。由图6可见，所设计的程序能正常读写SD卡文件。
5.结束语
SD卡的存储方式可以有效的缓解单片机存储资源有限的问题，满足日渐复杂的各种车载设备及传感器的数据存储要求。本文研究了Freescale单片机对SD卡读写的设计方法，并通过存储图片数据实验进行了验证，该方法可广泛应用于车载传感器的长期数据存储需求。
参考文献
[1]吕艳，孙克.汽车电子传感器简述[J].仪表技术与传感器，2009（Z1）.
[2]张凯临，姚玉玲，刘金涛.SD卡在PIC系列微控制器系统中的应用[J].微计算机信息，2008（24）.
[3]张恒.基于AT89S52和FAT16的SD卡读写系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（08）.
[4]MC9S12XEP100 Reference Manual Covers MC9S12XE Family[M].Version 1.25，Freescale，February，2013.
[5]SanDisk Secure Digital Card Product Manual[M].Version 2.2，San-Disk Corporation，September，2004.
[6]孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[7]应根裕，胡文波，邱勇.平板显示技术[M].北京：人民邮电出版社，2002.
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