基于c8051f020的sd卡主控制器设计

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1、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。在飞机回到地面后，需要方便地将采集数据传输到通用计算机上，以便作进一步的数据处理和分析。为了把采集的数据从采集系统传输到通用计算机内．在过去，是将数据存储部分设计为可分离的一个存储板，数据存储板上设计有CPU和串口。将数据存储板从数据采集系统上取下来，通过串口与通用计算机通信，将数据传输到通用计算机内。可以看出。这种方法有几个缺点：第一，操作麻烦，每次都要将存储板从采集系统取下来，然后再装上；第二，经常插拔存储板降低整个采集系统的可靠性：第三，读取数据的通用计算机需要安装专用程序。此

2、程序是专门开发用于通用计算机与数据存储板之间的串口通信程序，增加了使用复杂性。SD/MMC卡是一种容量大(最大可达4GB)、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡，而且通过USB读卡器，可以很方便地将卡中文件拷贝到通用计算机中。目前，SD卡已大量用于数码相机、MP3、手机与大容量存储设备中。在本次飞行状况监测及数据采集仪的设计中，采集数据的存储采用了SD卡。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

3、，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，本文就利用SPI总线实现对SD卡的访问。下面主要介绍SPI总线方式。　　　　　　　 　　　　　　　　 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

4、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，SD卡内部除了具有大量存储单元外。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。这样主控制器并不直接访问存储器，而是通过卡的接口控制器来访问存储器。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，这将大大减轻主控制器对存储器操作的负担。SD卡内

5、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。C8051F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，片内除了具有8052的全部外设外．又扩展了丰富的外设，是一种名副其实的SOC(SystemOnChip)单片机。C8051F020能够满足数据采集功能外，还能很容易地实现SD卡的访问。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．可达25M

6、IPS指令运行速度，满足高速操作SD卡的功能要求。　　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．2个优先级，其中就包括SPI接口产生的中断。　　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

7、．也可以使用外部时钟。通过编程可以切换。　　可实现通过JTAG接口的在系统调试。方便系统的开发。　　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