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[嵌入式]SD卡数据读取

一、实验要求

掌握电路原理图绘制。安装Altium Designer 18，学习使用Altium Designer绘制一个stm32最小系统的电路原理图，并在此基础上完成STM32+SD卡的系统原理图设计。(该系统的PCB图的绘制不做要求)
掌握SD卡协议原理，用STM32F103完成对SD卡的数据读取（fat文件模式）。

二、实验过程及结果

（一）电路原理图绘制

1. 安装Altium Designer 18

1）软件下载

百度网盘：ADB安装文件.zip
提取码：luha

2）软件安装

打开AltiumDesigner18Setup.exe文件，开始安装

在这里插入图片描述

打开Crack文件夹，复制shfolder.dll文件到Altium Designer的安装目录下

在这里插入图片描述

打开Altium Designer 软件，选择license，选择文件并打开

在这里插入图片描述

点击设置，勾选Use localized resources，点击OK，重启Altium Designer，汉化成功

在这里插入图片描述

2. 绘制stm32最小系统的电路原理图

1）新建工程

点击File->New->Project->PCD Project，新建工程

在这里插入图片描述
右击PCD_Project1.PrjPCB，选择Add New to Project->Schematic，新建原理图

在这里插入图片描述

2）添加元件库

百度网盘：元件库.zip
提取码：luha
按步骤添加元件库文件：

在这里插入图片描述

3）绘制原理图

① 绘制步骤

在元件库中找到stm32f103c8t6芯片，双击打开，将元件放在中间

在这里插入图片描述
点击放置线延长管脚，左键在起始和终点各点击一下连接，右键释放掉
（可使用 ctrl + c 复制，ctrl + v 粘贴，按空格可每90°旋转器件）

在这里插入图片描述

点击Net Label放置网络编号，按tab键进入设置窗口，编辑编号名称，回车退出编辑框，再左键放下

在这里插入图片描述

② 绘制结果

在这里插入图片描述

STM32C8T6 芯片
R：Miscellaneous Devices LC.IntLib 元件库中搜索 0805 10K
电源指示灯及单片机应用灯
R：Miscellaneous Devices LC.IntLib 元件库中搜索 0805 1K
D：Miscellaneous Devices LC.IntLib 元件库中搜索 0603
STM32 去耦电路
C：Miscellaneous Devices LC.IntLib 元件库中搜索 0805 100nF
晶振电路
Y：Miscellaneous Devices.IntLib 元件库中搜索 XTAL
C：Miscellaneous Devices LC.IntLib 元件库中搜索 0805 22pF

晶振电路为主控芯片提供系统时钟，所有的外设工作和CPU 工作都要基于该时钟，类似于整个系统的“心跳节拍”。
复位电路
S：Miscellaneous Devices.IntLib 元件库中搜索 SW-PB
C：Miscellaneous Devices LC.IntLib 元件库中搜索 0805 1uF

低电平复位（引脚 NRST），硬件按键复位属于系统复位之一。其中，电容 C5 的目的是按键消抖，防止在按键刚刚接触/松开时的电平抖动引发误动作（按键闭合/松开的接触过程大约有 10ms 的抖动，对于主控芯片 I/O 控制而言是很长的时间，足以执行多次复位动作。由于电容电压不会突变，所以采用电容滤波，防止抖动复位误动作）。
降压电路
AMS1117：stm32f103c8t6 最小系统.SchLib 元件库中

由 LDO（Low Dropout Regulator）低压差线性稳压器将 5V 转换为 3.3V，为主控芯片供电。
下载方式选择及程序烧录接口
P：Miscellaneous Connectors.IntLib 元件库中搜索 MHDR

程序开发的过程需下载 bin/hex 文件，及在线仿真调试，可采用 SWD 或者 JTAG 的方式。SWD 模式比 JTAG 在高速模式下更可靠，且只需 4 引脚，因此实际开发一般采用 SWD 方式。其中，时钟线 CLK 用于 JLink 和芯片的时钟同步，一般频率设置为 4MHz，可根据实际情况调整频率。
电源输入及输出
J：base.SchLib 元件库中搜索 USB micro
外接IO
P：Miscellaneous Connectors.IntLib 元件库中搜索 MHDR1X16

在这里插入图片描述

3. STM32+SD卡的系统原理图设计

1）绘制步骤

点击右上角的Libraries，选择下载的元件库并寻找器件
AMS1117：stm32f103c8t6 最小系统.SchLib 元件库中
P：Miscellaneous Connectors.IntLib 元件库中搜索 MHDR
C：Miscellaneous Devices LC.IntLib元件库中搜索 0805 100uF
在这里插入图片描述

2）绘制结果

STM32+SD卡原理图
在这里插入图片描述

（二）SD卡数据读取

1. SD卡介绍

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件，SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式。其中，SD模式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信；SPI模式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD模式时的数据传输速度比SPI模式时快，采用单片机对SD卡进行读写时一般采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD或SPI模式。
在这里插入图片描述

1）SD卡物理结构

一张SD卡包括有存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器5 个部分。存储单元是存储数据部件，存储单元通过存储单元接口与卡控制单
元进行数据传输；电源检测单元保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上状态时，它会使控制单元和存储单元接口复位；卡及接口控制单元控制SD卡的运行状态，它包括8 个寄存器；接口驱动器控制 SD 卡引脚的输入输出。
在这里插入图片描述
SD 卡总共有 8 个寄存器，用于设定或表示 SD 卡信息，其只能通过对应的命令访问。SDIO 定义了 64 个命令，每个命令都有特殊意义，可实现某一特定功能。SD 卡接收到命令后，根据命令要求对 SD 卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需发送组合命令就可实现 SD 卡的控制以及读写操作。
在这里插入图片描述

2）SD卡引脚

S：电源供给 I：输入 O：采用推拉驱动的输出 PP：采用推拉驱动的输入输出
在这里插入图片描述

3）SDIO 总线

① 总线拓扑

SD 卡一般支持 SDIO 和 SPI 两种接口，STM32F42x系列控制器的 SDIO是不支持 SPI 通信模式的，如需 SPI 通信只能使用 SPI 外设。
在这里插入图片描述

SD 卡使用 9-pin 接口通信，其中 3 根电源线、1 根时钟线、1 根命令线和 4 根数据线。
CLK：时钟线，由 SDIO 主机产生，即由 STM32 控制器输出
CMD：命令控制线，SDIO 主机通过该线发送命令控制 SD 卡，若命令要求 SD 卡提供应答（响应），SD 卡也通过该线传输应答信息
D0-3：数据线，传输读写数据，SD 卡可将 D0 拉低表示忙状态
VDD、VSS1、VSS2：电源和地信号

无论SDIO是从主机控制器向 SD 卡传输，还是 SD 卡向主机控制器传输，都只以 CLK 时钟线的上升沿为有效。SD 卡操作过程使用两种不同频率的时钟同步数据：识别卡阶段时钟频率 FOD（最高为 400kHz）和数据传输模式下时钟频率 FPP（默认最高为 25MHz，若通过相关寄存器配置使 SDIO 工作在高速模式，此时最高频率为 50MHz）。

② 总线协议

SD 总线通信是基于命令和数据传输的。通讯由一个起始位（“0”），由一个停止位
（“1”）终止。SD 通信一般是主机发送一个命令（Command），从设备在接收到命令后作出响应（Response），如需会有数据（Data）传输参与。
SD 总线的基本交互是命令与响应交互。
主机向 SD 卡写入数据块操作：
在这里插入图片描述
SD 数据是以块（Black）形式传输的，SDHC 卡数据块长度一般为 512 字节，数据可从主机到卡，也可从卡到主机。数据块需要 CRC 位来保证数据传输成功。CRC 位由 SD卡系统硬件生成。STM32 控制器可以控制使用单线或 4 线传输。

③ 命令

SD 命令由主机发出，以广播命令和寻址命令为例，广播命令是针对与 SD 主机总线连接的所有从设备发送的，寻址命令是指定某个地址设备进行命令传输。
SD 命令格式固定为 48bit，都是通过 CMD 线连续传输的（数据线不参与）。
在这里插入图片描述

④ 响应

响应由 SD 卡向主机发出，部分命令要求 SD 卡作出响应，其多用于反馈 SD 卡的状态。SDIO 总共有 7 个响应类型（R1~R7），其中 SD 卡没有 R4、R5 类型响应。特定的命令对应有特定的响应类型，比如当主机发送 CMD3 命令时，可得到响应 R6。SD 卡的响应通过 CMD 线连续传输，根据响应内容大小可分为短响应和长响应。短响应是 48bit 长度，只有 R2 类型是长响应，其长度为 136bit。

4）STM32 的 SDIO 功能框图

STM32 控制器有一个 SDIO，由两部分组成：SDIO 适配器和 AHB 接口。SDIO 适配器提供 SDIO 主机功能，可提供 SD 时钟、发送命令和进行数据传输。AHB 接口用于控制器访问 SDIO 适配器寄存器，可产生中断和 DMA 请求信号。在这里插入图片描述

2. SD卡读取

1）工程下载

百度云盘：STM32cube配置FATFS模式SPI读写SD卡.zip
提取码：e63q

2）代码修改

main.c程序

char SD_FileName[] = "hello.txt";
uint8_t WriteBuffer[] = "姝华 6319****0710\r\n";

在这里插入图片描述

  while (1)
  {	
		WritetoSD(WriteBuffer,sizeof(WriteBuffer));		
		HAL_Delay(500);
		//WriteBuffer[0] = WriteBuffer[0] +10;
		//WriteBuffer[1] = WriteBuffer[1] +10;
		write_cnt ++;
		
		while(write_cnt > 5)
		{	
			printf(" while \r\n");
			HAL_Delay(500);
		}		
		
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

在这里插入图片描述

3）硬件操作

SD卡	STM32F103C8T6
CS	PA4
SCK	PA5
MISO	PA6
MOSI	PA7

打开mcuisp软件，开始烧录.hex文件

在这里插入图片描述

3）实际效果

三、实验总结

在本次实验过程中，我学会了如何使用Altium Designer绘制stm32最小系统的电路原理图，并在此基础上完成了STM32+SD卡的系统原理图设计，同时我还学会了如何使用STM32F103完成对SD卡的数据读取。使用Altium Designer绘制原理图并不困难，只是需要格外细心，避免器件选取错误。而使用STM32F103完成对SD卡的数据读取其实也比较容易，主要是硬件操作难以出来结果，需要耐心来操作。总而言之，此次实验不仅提高了我的动手操作能力，还加深了我对电路原理图绘制和SD卡协议原理的认识。