基于AVR的SD卡数据导出接口设计

2009年第5期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY0引言SD卡存储介质是一种新的大容量、非易失性外部存储系统，它的出现提供了一个便宜的、结实的、卡片式的存储媒介。

SD卡的容量从16MB到最高32GB不等。

容量范围如此之宽，可为众多应用提供充足的外部存储空间。

SD卡作为各种消费电子产品外部存储的应用、开发技术己经非常成熟、广泛。

本设计尝试在AV R单片机上实现对SD 卡读写操作，进而实现对SD卡上数据库进行读写操作。

1系统选型设计基于AV R的SD卡数据导出接口，先要解决系统选型的问题。

系统选型方案的选择是一个综合考虑的过程，首先要满足系统的要求，其次要考虑系统的价格因素，最后考虑系统的复杂程度，在均满足要求的情况下，选择复杂程度低的方案。

1.1选择单片机首先，基于AV R的SD卡数据接口是要将数据保存在大容量的存储介质上，考虑数据输出端有固定的、有移动的，所以数据接口系统要便携式可移动的。

其次，基于AV R的SD卡数据导出接口设计的核心是无操作系统的单片机（嵌入式）系统，单片机按照字长可以分为3类：32位的ARM/MIPS/TMS32、16位的凌阳单片机/MSP430、8位Intel51/pic/AV R/m68等众多单片机。

选择硬件设计方案时，在满足功能要求的基础上，价格是一个重要的选择因素，另一个重要的选择因素是设计复杂性。

3类单片机都可以满足设计的硬件要求，32位和16位单片机价格较贵，只有选择8位的单片机。

8位单片机常见的有51、pic和AV R。

51属于SISC类型，没有集成，有SPI接口；pic和AV R属于RISC类型，执行效率高，两者价格相当，AV R 集成有SPI接口。

综合考虑，AV R单片机成为首选。

1.2接口的形式选择基于AV R的SD卡数据接口的形式有2种选择方式：为每个数据提供端都设计一个导出接口（如图1中A图），或者设计一个独立的基于AV R的SD卡的数据导出接口（如图1中B图），它再通过串行通讯接口和测量仪器通信，导出数据存入SD卡。

每个测量仪器都设计一个导出接口，看似简单，实际上除为测量仪器重新编写软件外，还要修改硬件，价格可想而知。

而设计独立的导出接口，仅为每个测量仪器添加通讯部分即可，串行通讯接口作为一个常用接口，所有计算机、单片机上都存在，实际仅为测量仪器加上通讯程序模块即可。

图1数据接口类型综合考虑，基于AV R的SD卡数据导出接口设计，采用AV R单片机加串行接口的方式。

2系统的总体设计基于AV R的SD卡数据接口按照功能可划分为SD卡驱动层、FAT32文件系统层、数据库操作层、串行通讯协议层4大部分，各部分关系如图2：图2系统总体结构功能图刘景文（天津滨海职业学院天津300450）基于AVR的SD卡数据导出接口设计【摘要】通过对基于AVR的SD卡数据导出接口设计的描述，在系统总体结构思路基础上，提出系统的硬件构成，详细分析了软件各部分的功能及实现。

本设计在数据存储和交换领域具有很好的应用前景。

【关键词】SD卡嵌入式系统SPI FAT32数据库收稿日期：２００９－０９－０６信息时代952009年第5期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY数据导出接口系统的4个层，在功能上采用层次结构，利用单片机程序来实现各层的任务。

串行通讯协议层程序借助RS232接口从测量仪器端获取数据，再逐层调用，通过AV R 单片机接口由SD卡驱动层将测量数据以数据库的形式保存在SD卡上。

2.1SD卡驱动层SD卡驱动层包括硬件抽象层、SD卡工具函数层、SD卡命令层和SD卡操作函数接口4层。

SD卡操作函数接口调用其他3层，为存储空间管理层和目录管理层的操作接口。

FAT32文件系统层操作的基本对象是扇区，SD卡操作函数接口提供扇区读、写、清除3种基本操作。

在SPI模式下，AV R单片机通过时钟信号驱动SD卡，进行比特流读写操作。

在硬件抽象层完成比特流同字节数据的转化，即将写入SD卡的字节变成位信息，分成8位依次传递给SD卡；读取SD卡信息时与之类似，只是将得到的8位信息合成一个字节。

SD卡工具函数层实现数据校验，保证AV R同SD卡间信息传递的完整性和正确性，通过CRC7和CRC16可以检测命令和数据包在传输过程是否被干扰，从而发现命令和数据在传输过程中信息是否发生改变。

SD卡命令层根据不同命令，执行不同操作，同时返回命令执行情况。

SD卡有64个命令，每个命令执行的操作过程均不同，只需提供相关变量，命令层负责规划命令执行、分配参数、返回执行结果。

如果命令执行成功，反应执行情况变量返回0，否则根据不同错误类型返回不同值，以区分不同错误。

SD卡操作函数接口层根据用户指定序号对此扇区执行读、写、删除扇区信息3种基本操作。

它将3种基本操作变成相应命令的组合，依次调用SD卡命令层相关函数进行执行。

它通过在命令序列中加入CRC7校验码，保证了命令准确无误传递给SD卡；AV R和SD卡间的数据信息由CRC16校验来保证，SD卡操作函数接口层通过SD卡工具函数层完成校验和生成。

通过硬件抽象层、SD卡工具函数层、SD卡命令层和SD 卡操作函数接口层的密切配合，SD卡驱动层为上层模块提供读、写、删除扇区信息3种基本操作。

2.2FAT32文件系统层FAT32文件系统层是系统中最复杂的层之一，包括目录管理层、存储空间管理层、文件API接口层3层。

文件API接口层调用目录管理层、存储空间管理层，为数据库操作层提供文件操作接口。

文件操作接口的操作有打开文件、关闭文件、写文件、读文件、移动文件操作指针等操作。

SD卡被当成磁盘来看待，FAT32是一种组织、管理磁盘文件系统。

FAT32文件系统将磁盘分成4个部分：操作系统引导记录区、文件分配表区、目录区、数据区。

操作系统引导记录区包含BPB和扩展BPB，保存了描述磁盘特征的相关参数，是管理、使用分区的唯一重要数据；存储数据区以文件形式保存信息；文件在数据区的占用情况在文件分配表区内保存；文件名等文件信息被保存在目录区。

存储空间管理层负责存储数据区的空间分配，通过查询文件分配表区了解是否有空闲空间，分配好存储空间后，在文件分配表中做出相关标记。

目录管理层负责在指定目录下记录文件名、文件创建时间、文件在存储数据区的开始位置等信息，文件目录实质上也是一个文件，它同样保存在磁盘存储数据区。

文件API接口层是FAT32文件系统对外服务的接口，它通过存储空间管理层、目录管理层完成文件操作，通过调用文件API接口层可以完成文件的建立、打开、向文件内写内容、读取文件内容等操作。

FAT32文件系统层在SD卡驱动层支持下，通过简单的扇区读、写、删除信息3种基本操作，通过存储空间管理层、目录管理层、文件API接口层协同操作，对外提供文件操作的基本调用函数，为数据库操作层提供服务。

2.3数据库操作层数据库操作层靠调用FAT32文件系统层提供的接口完成各项任务，数据库操作层操作主要有打开数据库、向数据库写入数据、关闭数据库3个功能。

2.4串行通讯协议层串行通讯协议层是SD卡数据导出系统的顶层，通过RS232接口同测量仪器通讯。

通过设计通讯协议，获取测量仪器属性、测量数据个数等信息；根据测量仪器属性打开对应数据库，根据测量数据个数确定写入数据库的数据个数。

在获取每组测量数据后，调用数据库操作层向数据库写入数据，完成测量数据导入SD卡，在测量数据个数控制下完成全部数据保存，最后关闭数据库。

3系统的硬件设计SD卡的数据导出接口系统的硬件设计是围绕着AV R单片机进行的，包括4部分：电源部分、下载接口部分、串行通讯接口和SD卡接口，图3表示4个部分间的相互关系。

图3数据导出接口系统硬件示意图电源部分为其他3个部分和AV R单片机提供工作电流；V AR单片机通过串行通讯引脚RxD、TxD同串行通讯接口部分连接，完成信号的电平转换；下载接口部分和SD卡接口部分共同连接在AV R的SPI接口对应的引脚上，在书写程序时，通过SPI接口对AV R下载程序，系统在工作时通过SPI接口完成对SD卡的各种操作。

3.1电源部分SD卡在3.3V的电压下工作，由于是测量仪器的数据导出接口，考虑到如果是1个移动的或在野外工作的测量仪器，电源可能难于保证，决定采用1节9V电池作为电源。

再经过稳压芯片LM317得到3.3V的电压。

信息时代962009年第5期TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY3.2下载接口设计为适应导出目标的不断变化和调试程序的需要，特意设置下载接口，可以通过计算机直接将程序下载到单片机内。

Avr 单片机的下载接口主要有：J TAG、ISP等类型，本系统采用byteblas termV作为ISP下载电缆接口并设计ISP下载电缆。

AV R ISP下载电缆采用74HC244作为信号隔离，并行接口接计算机的打印机，另一端接下载接口。

通过AV R ISP的下载接口将程序写入AV R单片机，实现程序调试和修改。

3.3串行通讯接口设计串行通讯接口用于同带串行通讯接口的设备进行相互间的数据传送。

主要完成信号电平变换，将单片机用电平变换成串行通讯接口电平。

电平变换可以采用分立元件或集成芯片来完成，由分立元件组成的电平变换电路需要进行计算，设计比较麻烦，由集成芯片组成的电平变换电路只有外接4个1UF的电容即可，所以采用集成芯片完成电平变换。

实现电平变换的集成芯片有很多，如MAX232CPE，其他的芯片型号多包括232字样。

3.4SD卡接口设计由于AV R单片机集成有SPI接口，只要将SD卡直接焊接到AV R单片机的SS、SCK、MISO、MOSI引脚即可，SD卡被固定在卡座上。

SD卡座如果市场上没有销售，可以购买SD 卡读卡器，从读卡器上拆解。

4设计总结本设计的层次结构可以使设计过程清晰，便于排除错误。

其最大的好处是便于系统进行扩充、移植。

如利用51单片机实现系统，只修改SD卡驱动层部分即可，而不用重新编写系统；又如要改变写入数据库类型，只需改写数据库操作层。

经过翻阅资料、不断修改设计、编写程序等工作后，实现预定目标。

不过，设计仍然处于初级阶段，有许多可供继续改进的目标，如长文件名的支持、对第2个FAT处理等。

本设计为SD 卡在数据存储和交换领域的应用开辟了广阔的前景，并最终在火车油耗仪上得到使用。

■参考文献［１］马潮，詹卫前，耿德．ＡＴｍｅｇａ８原理及应用手册［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．［２］孙方，颜国正，王文兴．ＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＣａｒｄ及其与单片机接口［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００４（６）：４４－４６．［３］张凯，姜熙君，陈磊，等．ＭＭＣ卡的文件系统及其实现方法［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２００６（５）：３０－３２．［４］刘景文，胥宝萍．利用串行接口传输各种数值数据［Ｊ］．天津职业院校联合学报，２００８（２）：４７－４９．随着视频通讯技术的发展及应用，高质量的视频会议系统已逐渐成为人类社会经济生活中不可缺少的一部分。