嵌入式20STM32F103完成对SD卡的数据读取详细操作

Posted 2022-01-11 噗噗的罐子

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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。

本文主要利用STM32F103完成对SD卡的数据读取，介绍该实验的详细操作

一、题目要求
二、SD卡协议原理
三、实验操作
四、总结

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
CID	128	卡识别号(Card identification number)：用来识别的卡的个体号码（唯一的）
RCA	16	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
DSR	16	驱动级寄存器(Driver Stage Register)：配置卡的输出驱动
CSD	128	卡的特定数据(Card Specific Data)：卡的操作条件信息
SCR	64	SD配置寄存器(CD Configuration Register)：SD卡特殊特性信息
OCR	32	操作条件寄存器(Operation conditiongs register)
SSR	512	SD状态(SD Status)：SD卡专有特征的信息
CSR	32	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)	NONE	R1	复位SD卡
CMD8(0X08)	VHS+Check Pattern	R7	发送接口状态命令
CMD9(0X09)	NONE	R1	读取卡特定数据寄存器
CMD10(0X0A)	NONE	R1	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)	NONE	R3	发送给主机容量支持信息和激活卡初始化过程
CMD55(0X37)	NONE	R1	告诉SD卡，下一个是特定应用命令
CMD58(0X3A)	NONE	R3	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

stm32	SD卡模块
PA4	SDCS
PA5	SCK
PA7	MOSI
PA6	MISO
VCC	VCC
GND	GND

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