嵌入式20STM32F103完成对SD卡的数据读取详细操作

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了嵌入式20STM32F103完成对SD卡的数据读取详细操作相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一、题目要求

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、SD卡协议原理

1、SD卡简述

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、SD卡物理结构

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。


  • 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。

3、SD卡寄存器

SD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。

名称bit宽度描述
CID128卡识别号(Card identification number):用来识别的卡的个体号码(唯一的)
RCA16相对地址(Relative card address):卡的本地系统地址,初始化时,动态地由卡建议,主机核准
DSR16驱动级寄存器(Driver Stage Register):配置卡的输出驱动
CSD128卡的特定数据(Card Specific Data):卡的操作条件信息
SCR64SD配置寄存器(CD Configuration Register):SD卡特殊特性信息
OCR32操作条件寄存器(Operation conditiongs register)
SSR512SD状态(SD Status):SD卡专有特征的信息
CSR32卡状态(Card Status):卡状态信息

4、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:

命令参数回应描述
CMD0(0X00)NONER1复位SD卡
CMD8(0X08)VHS+Check PatternR7发送接口状态命令
CMD9(0X09)NONER1读取卡特定数据寄存器
CMD10(0X0A)NONER1读取卡标志数据寄存器
CMD16(0X10)块大小R1设置块大小(字节数)
CMD17(0X11)地址R1读取一个块的数据
CMD24(0X18)地址R1写入一个块的数据
CMD41(0X29)NONER3发送给主机容量支持信息和激活卡初始化过程
CMD55(0X37)NONER1告诉SD卡,下一个是特定应用命令
CMD58(0X3A)NONER3读取OCR寄存器

5、SD卡初始化(SPI模式)

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。

6、SD卡读取与写入(SPI模式)

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;

以上就是一个典型的读取SD卡数据过程,SD卡的写于读数据差不多,写数据通过CMD24来实现,具体过程如下:

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;

以上就是一个典型的写SD卡过程。

三、实验操作

1、硬件准备

SD卡模块及SD卡

内部结构:

部分说明
控制接口共 6 个引脚(GND、VCC、MISO、MOSI、SCK、CS),GND 为地,VCC 为供 电电源,MISO、MOSI、SCK 为 SPI 总线,CS 为片选信号脚
3.3V 稳压电路LDO 稳压输出的 3.3V 为电平转换芯片、Micro SD 卡供电
电平转换电路往 Micro SD 卡方向的信号转换成 3.3V,MicroSD 卡往控制接口方向的 MISO 信号也转换成了 3.3V,一般 AVR 单片机系统都能读取该信号
Micro SD 卡座是自弹式卡座,方便卡的插拔
定位孔4 个 M2 螺丝定位孔,孔径为 2.2mm,使模块便于安装定位,实现模块间组合

2、连线

stm32SD卡模块
PA4SDCS
PA5SCK
PA7MOSI
PA6MISO
VCCVCC
GNDGND

3、HAL库配置

因为STM32要连接SD卡模块,所以我们要进行相应配置。




之后导出即可。

4、代码分析

完整工程代码如下(hal库版本)
链接:https://pan.baidu.com/s/1YxLpaIM6HMQ4d_9yh4M4ww
提取码:276d

针对main主函数进行分析

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 */


说明:


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。

5、实验结果分析

最开始,要么初始化失败,要么没反应,要么初始化成功之后没反应,各种情况吧。

之后改变了接线电压,SD卡模块接5v,STM32也接了5v,还是失败。
然后重新接线,换成了新的杜邦线,然后就成功了,只能说这个实验很玄学

就很秃然

然后打开sd卡确实看到了hello文本文件写入了内容。
这里有两个情况
我最开始在SD卡下建立了hello.txt文件(里面最开始写了数字1),因为担心初始化不成功,然后SD卡写入成功后,SD卡内容是这样的:


之后,我把hello.txt文件删了,看看SD卡能不能自己建立一个txt文本文件:

果然是成功的,而且内容是一样的。

但是左侧出现了乱码情况,因此对主函数进行修改

再烧录一次试试

有序写入,说明是成功的。

然后分析一下串口收到的内容:



可以证明,确实写入次数超过11次后,会不断返回while值,而txt文本里有11行内容,之后也不会再写入了。

四、总结

为了让这个实验成功还是花费了蛮多的时间,做实验可能就是这样的跌宕起伏,毕竟人生不如意十有八九,八九才是大多数。

整个实验操作很简单,了解了SPI协议,按部就班去做,并不难实现,但是很容易卡死在初始化的环节,线务必接好,接触不良就很容易失败,多按压一下板子也会有用可能。

祝各位好运。

参考

[1] https://blog.csdn.net/m0_53089598/article/details/121985861

[2] https://blog.csdn.net/lqmlmo/article/details/80830082

[3] https://blog.csdn.net/fengxiaocheng/article/details/81411117

以上是关于嵌入式20STM32F103完成对SD卡的数据读取详细操作的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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