C8051F020在SD卡主控制器设计中的应用

1 引言

　　飞机飞行状况监测及数据采集仪。用于采集飞机试飞时的各种飞行数据，要求大量的存储容量。它具有功能强、性价比高、安装和使用方便的特点。采集仪可以根据用户的要求进行配置，对八路传感器输入信号进行调理、采样及数据处理，将测量结果实时动态显示，并通过其报警功能，实现设备故障预警。采集仪既可以单机独立工作，也可以通过RS－485总线将多达16台采集仪与计算机联机组成在线监测系统。应用范围包括各种不同类型的电机、风机、泵、齿轮箱、轧机、风力发电机、电站和离心机，以及各种机械设备常见故障的状态监测等。

　　2 硬件功能原理与设计

　　SD卡的外形和接口如图1所示。根据SD卡与主控制器的通信协议不同，SD卡对外提供两种访问模式：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引脚的功能也不同，具体引脚功能如表1所示。在具体通信过程中，主机只能选择其中一种通信模式。通信模式的选择对于主控制器来说是透明的，卡会自动检测复位命令的通信协议模式，而且通信模式一旦选定，系统在通电情况下不能改变。SD模式下，主控制器使用SD总线访问SD卡。可通常的单片机没有硬件SD总线，尽管可以借助通用口线用软件仿真，但访问速度较低，还要大量占用CPU时间，而单片机多具有SPI总线。

　　注：S--电源；I--输入；O--推挽输出；PP--推挽I/O。

　在SPI总线模式下。CS为主控制器向卡发送的片选信号，SCLK为主控制器向卡发送的时钟信号。DI（DataIn）为主控制器向卡发送的单向数据信号，DO（DataOut）为卡向主控制器发送的单向数据信号。SD卡的内部结构如图2所示，还具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI两种模式的对外接口等。外部主控制器访问卡的外部信号线并不与存储器单元直接相连，而是通过卡的接口控制器与存储器单元接口相连。卡内存储单元的读，擦，写由卡接口控制器根据主控制器的命令自动处理完成，而主控制器无须知道卡内是如何操作、管理存储单元的。SD卡内部有6个信息寄存器，用来设置和保存操作卡的关键信息，有两个状态寄存器，用来记录操作卡的当前状态。

　　采集仪的主控制器采用了C8051F020单片机。C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU芯片。这个系列单片机与8051在指令上完全兼容，性能远远高于标准的8051单片机。又扩展了丰富的外设，是一种名副其实的SOC （System On Chip）单片机，与SD卡系统相关的特性如下：

　　单片机内部采用流水线结构。指令运行速度高。指令运行速度比一般的80C51系列单片机提高了大约10倍。

　　具有SPI 硬件接口。可与SD卡的SPI 总线很好接口。

　　具有8个8位I/O端口。除满足数据采集需要外。有足够的口线用于单片机与SD卡的连接。而且。这些口线可通过软件进行配置，获得不同的功能，其中SPI 接口，就是通过配置相关寄存器而获得的。

　　具有可扩展的中断系统。支持22个中断源。

　　片内存储器包括64KB的Flash、和4KB的XRAM。不需要扩展存储器。就可以满足文件系统的建立和访问SD 卡的需要。

　　3.3V的工作电压，与SD卡工作电压兼容。

　　时钟系统更加完善，可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟。

　　可实现通过JTAG接口的在系统调试。

　　C8051F系列单片机的SPI串行接口的主要特点如下：全双工，三线同步传输，即在发送的同时也能接受；可以工作在主机方式或从机方式；主机最大数据传输速率（位/秒）是系统时钟频率的1/2.因而最高可达10Mb/s；SPI位传输速率可通过编程选择；发送结束设置中断标志。发送期间不占用CPU时间；串行时钟极性与相位可编程改变；具有写冲突保护和总线竞争保护。

　　对于C8051F020的SPI系统。首先通过设置I/O端口功能选择开关控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2.将I/O端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3配置成SPI功能引脚SCK、MISO、MOSI和NSS。此时I/0端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3就组合成SPI接口了。SPI0CFG是SPI的配置寄存器，用于配置SPI的工作方式。并反映通信过程中的数据发送状态。并反映通信过程中的一些错误标志，SPI0CKR是SPI的时钟速率寄存器，用于选择SCK输出的频率。

　　主控制器C8051F020与SD卡座的电路连接图如图3所示。除了SPI接口的连接外，还有三根控制线，P0.4_SD_INSERT就是I/O端口P0.4，用于检测SD卡在卡座上是否插好。完全插入时该引脚为低电平，否则为高电平。P0.5_SD_WP就是I/O端口P0.5，用于检测SD卡当前是否设置写保护。写保护时该引脚为高电平，否则为低电平。P0.6_SD_POWER就是I/O端口P0.6，用于SD卡的供电控制，这是为了在SD卡进入不确定状态时，可以通过对卡重新上电复位而无需拔出卡。

　　3 软件设计

　　硬件抽象层包括访问SD卡的硬件环境配置、SPI接口实现通讯的基本函数以及SPI中断的处理。硬件环境配置包括硬件初始化、以及内存变量初始化等。SPI接口实现通讯的基本函数，包括主控制器向SD卡发送一字节和从SD卡读取一字节的基本函数，这是所有SPI通讯的基础。SPI中断处理是SPI接口产生中断时。中断服务程序被自动调用，在中断服务程序中，读取SPI控制寄存器。这里存放着产生中断的各种状态标志，根据不同的状态标志，调用不同的函数处理。

　　命令层，就是调用硬件抽象层的基本发送接收字节函数，实现SD卡所有SPI协议规定的命令。根据SD卡协议，访问SD卡的不同功能，由不同的命令实现。这些命令分成0—9个不同的类别。每种类别包括几个具体的命令，对于SPI协议，每个命令都由主机主动发送。高位在前低位在后，SD卡收到命令后。根据不同的命令做出不同的响应。主机发送的命令长度总是6个字节。命令的格式如表2所示，Command表示命令号，占用6位，Parameter表示命令参数，长度为4字节，不同的命令对应不同的命令参数值。SD卡的响应有4种格式，分别为R1、R1B、R2和R3格式。

　　表2 SPI模式命令格式

　　字节6 字节2～5 字节1

　　0 1 Command Parameter（高位在前） CRC 1

　　应用层函数提供客户程序访问SD卡的高级接口函数。使客户不需要知道SD卡的内部结构和命令内容、不需要知道SPI的接口协议等基本内容，客户程序只需要简单地调用接口函数了解SD卡的当前状态、读取自己需要的内容或写入自己的内容。应用层程序是在命令层基础上的更高抽象，调用命令层函数实现

　　4 结论

　　本文将SD卡存储方式运用到飞机飞行数据采集系统，简化了采集系统的设计，减小了系统尺寸，提高了系统的可靠性，使采集数据的读出变得简单易行。由于原有数据采集系统，采用8051单片机作主控制器，本次设计选用与8051完全兼容的高性能单片机C8051F020。既继承了原有采集系统的设计，又满足了访问SD卡的功能要求，加快了整个系统的设计进程。