Altium Designer 18电路原理图绘制&STM32F103 完成对SD卡的数据读取
Altium Designer 18电路原理图绘制&STM32F103 完成对SD卡的数据读取
一、题目内容
- 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，凭个人兴趣选做)
- 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、SD卡协议原理
1、SD卡介绍
很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据。目前常用的有 U 盘，FLASH 芯片，SD 卡等。他们各有优点，综合比较，最适合单片机系统的莫过于 SD 卡了，它不仅容量可以做到很大（32GB 以上），支持 SPI/SDIO 驱动，而且有多种体积的尺寸可供选择（标准的 SD 卡尺寸，以及 TF 卡尺寸等），能满足不同应用的要求。
只需要少数几个 IO 口即可外扩一个高达 32GB 以上的外部存储器，容量从几十 M 到几十G 选择尺度很大，更换也很方便，编程也简单，是单片机大容量外部存储器的首选。
2、物理结构&寄存器
一般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。
物理结构：
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，它包括有 8 个寄存器；
接口驱动器控制 SD 卡引脚的输入输出。
SD卡寄存器
D卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息。
这些寄存器只能通过对应的命令访问，SDIO定义64个命令，每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能，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，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现SD卡的控制以及读写操作。
SD卡引脚功能详述
3、SD卡操作模式
SD卡一般都支持 SDIO 和 SPI 这两种接口。
其中SD卡模式的信号线有：CLK、CMD、DAT0-DAT3，6根线。
SPI模式的信号线有：CS、CLK、MISO（DATAOUT）、MOSI(DATAIN),4根线。
SD卡的命令格式：命令CMD0就是0，CMD16就是16，以此类推。
SD卡的命令总共有12类，下表为几个比较重要的命令：
4、SD卡初始化（SPI）
SPI操作模式下：在SD卡收到复位命令时，CS为有效电平（低电平），则SPI模式被启用，在发送CMD之前要先发送74个时钟，64个为内部供电上升时间，10个用于SD卡同步；之后才能开始CMD操作，在初始化时CLK时钟不能超过400KHz。
1、初始化与SD卡连接的硬件条件（MCU的SPI配置，IO口配置）；
2、上电延时（>74个CLK）；
3、复位卡（CMD0），进入IDLE状态；
4、发送CMD8，检查是否支持2.0协议；
5、根据不同协议检查SD卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58和CMD1等）；
6、取消片选，发多8个CLK，结束初始化。
这样我们就完成了对SD卡的初始化，注意末尾发送的8个CLK是提供SD卡额外的时钟，完成某些操作。通过SD卡初始化，我们可以知道SD卡的类型（V1、V2、V2HC或者MMC），在完成了初始化之后，就可以开始读写数据了。
5、SD卡读取和写入（SPI）
SD卡读取：
1、发送CMD17；
2、接收卡响应R1；
3、接收数据起始令牌0XFE；
4、接收数据；
5、接收2个字节的CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。
6、禁止片选之后，发多8个CLK；
SD卡写入：
1、发送CMD24;
2、接收卡响应R1；
3、发送写数据起始令牌0XFE；
4、发送数据；
5、发送2字节的伪CRC；
6、禁止片选之后，发多8个CLK；
三、SD卡实验过程及实验结果
1、前期准备
SD卡模块及SD卡
内部结构：
2、连线
3、HAL库的配置
这里是网盘地址：
链接：https://pan.baidu.com/s/1KNBN-y2esPHLJWBjv6IiRw
提取码：1234
4、代码
main主函数
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration---------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_SPI1_Init();
MX_FATFS_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&aRxBuffer1,1); //enable uart
printf(" main \r\n");
Get_SDCard_Capacity(); //得到使用内存并选择格式化
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
WritetoSD(WriteBuffer,sizeof(WriteBuffer));
HAL_Delay(500);
WriteBuffer[0] = WriteBuffer[0] +10;
WriteBuffer[1] = WriteBuffer[1] +10;
write_cnt ++;
while(write_cnt > 10)
{
printf(" while \r\n");
HAL_Delay(500);
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
while循环中
while (1)
{
WritetoSD(WriteBuffer,sizeof(WriteBuffer));
HAL_Delay(500);
/*WriteBuffer[0] = WriteBuffer[0] +10;
/*WriteBuffer[1] = WriteBuffer[1] +10;
write_cnt ++;
while(write_cnt > 10)
{
printf(" while \r\n");
HAL_Delay(500);
}
这里我们看下write_cnt初始定义的值，计算写入次数循环要求。
（在main.c文件头部）
从0开始，write_cnt=0，因此要写入超过11次，之后不再写入内容。
写入函数WritetoSD
void WritetoSD(BYTE write_buff[],uint8_t bufSize)
{
FATFS fs;
FIL file;
uint8_t res=0;
UINT Bw;
res = SD_init(); //SD卡初始化
if(res == 1)
{
printf("SD卡初始化失败! \r\n");
}
else
{
printf("SD卡初始化成功！ \r\n");
}
res=f_mount(&fs,"0:",1); //挂载
// if(test_sd == 0) //用于测试格式化
if(res == FR_NO_FILESYSTEM) //没有文件系统，格式化
{
// test_sd =1; //用于测试格式化
printf("没有文件系统! \r\n");
res = f_mkfs("", 0, 0); //格式化sd卡
if(res == FR_OK)
{
printf("格式化成功! \r\n");
res = f_mount(NULL,"0:",1); //格式化后先取消挂载
res = f_mount(&fs,"0:",1); //重新挂载
if(res == FR_OK)
{
printf("SD卡已经成功挂载，可以进进行文件写入测试!\r\n");
}
}
else
{
printf("格式化失败! \r\n");
}
}
else if(res == FR_OK)
{
printf("挂载成功! \r\n");
}
else
{
printf("挂载失败! \r\n");
}
res = f_open(&file,SD_FileName,FA_OPEN_ALWAYS |FA_WRITE);
if((res & FR_DENIED) == FR_DENIED)
{
printf("卡存储已满，写入失败!\r\n");
}
f_lseek(&file, f_size(&file));//确保写词写入不会覆盖之前的数据
if(res == FR_OK)
{
printf("打开成功/创建文件成功！ \r\n");
res = f_write(&file,write_buff,bufSize,&Bw); //写数据到SD卡
if(res == FR_OK)
{
printf("文件写入成功！ \r\n");
}
else
{
printf("文件写入失败！ \r\n");
}
}
else
{
printf("打开文件失败!\r\n");
}
f_close(&file); //关闭文件
f_mount(NULL,"0:",1); //取消挂载
}
从写入函数中，我们可以知道，针对SD卡文件的每个步骤，我们都进行了相应的字段输出，来具体判断究竟进行到了什么地步。
这可以更改输入我们想要的内容。
5、实验结果
编译成功
烧录
初始化
实验成果
四、安装Altium Designer 18
介绍：
Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案,一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。
安装Altium Designer18：
以管理员运行
选择汉语
打开Crack文件夹，复制shfolder.dll文件到Altium Designer的安装目录下
打开Altium Designer 软件，选择license，选择文件并打开
成功注册
点击设置，勾选Use localized resources，点击OK，重启Altium Designer，汉化成功
安装完成
五、原理图绘制
因为我们是第一次进行绘制，所以我们先可以在网上找现成的原理图进行模仿。
网盘链接（淘宝商家）：https://pan.baidu.com/share/init?surl=ipHs1nPdf6Xq3H_OH5j7DA
提取码：7hqu
1、新建工程
点击File->New->Project->PCD Project，新建工程
右击PCD_Project1.PrjPCB，选择Add New to Project->Schematic，新建原理图。
2、下载元件库
这里有别人的网盘：https://pan.baidu.com/s/1jiJAqjsCjWf41C5edIP7Ww
提取码：1521
添加
3、绘制原理图
在元件库中找到stm32f103c8t6芯片，双击打开，将元件放在中间
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）
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
这就是连接完的成果
六、绘制STM32+SD卡原理图
1、SD卡模块
SD卡模块说明
内部结构
2、SD卡模块原理图
根据SD卡模块的设计，可以知道各管脚连线如下：
绘制
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
3、实验成果
七、实验总结
通过这次实验我们可以学习Altium Designer 18的一些基本操作，然后还有SD卡的相关知识，在实验过程中还是遇到了一些问题但是，通过老师、同学还有网上的博客得到了解决，总之这次实验收获还是挺大的。
八、参考资料
https://www.bilibili.com/video/BV1Ab411K7yp/?spm_id_from=333.788.videocard.0
https://www.bilibili.com/video/BV17E411x7dR?p=2
https://detail.tmall.com/item.htm?id=43580108042&spm=a1z09.2.0.0.4e1c2e8dwVFPWk&_u=e3meo26c8f82
STM32用cube配置FATFS模式下SPI读写SD卡