В устройствах на микроконтроллерах для хранения больших объемов данных используется внешняя память. Если требуется хранить единицы мегабайт, то подойдут микросхемы последовательной флэш памяти. Однако для больших объемов (десятки -сотни мегабайт) обычно применяются какие-нибудь карты памяти. В настоящий момент наибольшее распространение получили SD и microSD карты, о них я и хотел бы поговорить в серии материалов. В этой статье речь пойдет о подключении SD карт к микроконтроллеру, а в следующих мы будет разбираться как читать или записывать на них данные.
SD карты могут работать в двух режимах — SD и SPI. Назначение выводов карт и схема подключения зависит от используемого режима. У 8-и разрядных микроконтроллеров AVR нет аппаратной поддержки SD режима, поэтому карты с ними обычно используются в режиме SPI. В 32-х разрядных микроконтроллерах на ядре ARM, например AT91SAM3, интерфейс для работы с картами в SD режиме есть, поэтому там можно использовать любой режим работы.
Назначение контактов SD карты в SD режиме
Назначение контактов SD карты в SPI режиме
Назначение контактов microSD карты в SD режиме
Назначение контактов microSD карты в SPI режиме
Напряжение питания SD карт составляет 2.7 — 3.3 В. Если используемый микроконтроллер запитывается таким же напряжением, то SD можно подключить к микроконтроллеру напрямую. Расово верная схема, составленная путем изучения спецификаций на SD карты и схем различных отладочных плат, показана на рисунке ниже. По такой схеме подключены карты на отладочных платах фирм Olimex и Atmel.
На схеме обозначены именно выводы SD карты, а не разъема.
L1 — феррит или дроссель, рассчитанный на ток >100 мА. Некоторые его ставят, некоторые обходятся без него. А вот чем действительно не стоит пренебрегать, так это полярным конденсатором C2. Потому что при подключении карты происходит бросок тока, напряжение питания "просаживается" и может происходить сброс микроконтроллера.
По поводу подтягивающих резисторов есть некоторая неоднозначность. Поскольку SD карты выпускаются несколькими производителями, на них существует несколько спецификаций. В одних документах четко указана необходимость подтягивающих резисторов (даже для неиспользуемых линий — 8, 9), в других документах этих указаний нет (или я не нашел).
Упрощенный вариант схемы (без подтягивающих резисторов) показан на рисунке ниже. Эта схема проверена на практике и используется в платах фирмы Microelectronika. Также она используется во многих любительских проектах, которые можно найти в сети.
Здесь сигнальные линии SD карты удерживаются в высоком состоянии микроконтроллером, а неиспользуемые линии (8, 9) никуда не подключены. По идее они должны быть подтянуты внутри SD карты. Далее я буду отталкиваться от этой схемы.
Если микроконтроллер запитывается напряжением отличным от напряжения питания SD карты, например 5 В, то нужно согласовать логические уровни. На схеме ниже показан пример согласования уровней карты и микроконтроллера с помощью делителей напряжения. Принцип согласования уровней простой — нужно из 5-и вольт получить 3.0 — 3.2 В.
Линия MISO — DO не содержит делитель напряжения, так как данные по ней передаются от SD карты к микроконтроллеру, но для защиты от дурака можно добавить аналогичный делитель напряжения и туда, на функционировании схемы это не скажется.
Резистивный делитель напряжения — это самый простой вариант согласования уровней, однако при высоких скоростях обмена или длинных проводах он может не подойти. Емкость входов SD карты, а также паразитная емкость линий, вместе с резисторами делителя образует RC фильтры, которые "заваливают" фронты передаваемых сигналов, а у SD карт есть определенные требования к этим фронтам.
Если использовать для согласования уровней буферную микросхему, например CD4050 или 74AHC125, этих недостатков можно избежать. Ниже приведена схема, в которой согласование уровней выполняется с помощью микросхемы 4050. Это микросхема представляет собой 6 неинвертирующих буферов. Неиспользуемые буферы микросхемы "заглушены".
Подключение microSD карт аналогичное, только у них немного отличается нумерация контактов. Приведу только одну схему.
На схемах я рассматривал подключение SD карт к микроконтроллеру напрямую — без разъемов. На практике, конечно, без них не обойтись. Существует несколько типов разъемов и они друг от друга немного отличаются. Как правило, выводы разъемов повторяют выводы SD карты и также содержать несколько дополнительных — два вывода для обнаружения карты в разъеме и два вывода для определения блокировки записи. Электрически эти выводы с SD картой никак не связаны и их можно не подключать. Однако, если они нужны, их можно подключить как обычную тактовую кнопку — один вывод на землю, другой через резистор к плюсу питания. Или вместо внешнего резистора использовать подтягивающий резистор микроконтроллера.
Ну и для полноты картины приведу схему подключения SD карты в ее родном режиме. Он позволяет производить обмен данными на большей скорости, чем SPI режим. Однако аппаратный интерфейс для работы с картой в SD режиме есть не у всех микроконтроллеров . Например у Atmel`овских ARM микроконтроллеров SAM3/SAM4 он есть.
Шина данных DAT[0..3] может использоваться в 1 битном или 4-х битном режимах.
В устройствах на микроконтроллерах для хранения больших объемов данных используется внешняя память. Если требуется хранить единицы мегабайт, то подойдут микросхемы последовательной флэш памяти. Однако для больших объемов (десятки -сотни мегабайт) обычно применяются какие-нибудь карты памяти. В настоящий момент наибольшее распространение получили SD и microSD карты, о них я и хотел бы поговорить в серии материалов. В этой статье речь пойдет о подключении SD карт к микроконтроллеру, а в следующих мы будет разбираться как читать или записывать на них данные.
SD карты могут работать в двух режимах — SD и SPI. Назначение выводов карт и схема подключения зависит от используемого режима. У 8-и разрядных микроконтроллеров AVR нет аппаратной поддержки SD режима, поэтому карты с ними обычно используются в режиме SPI. В 32-х разрядных микроконтроллерах на ядре ARM, например AT91SAM3, интерфейс для работы с картами в SD режиме есть, поэтому там можно использовать любой режим работы.
Назначение контактов SD карты в SD режиме
Назначение контактов SD карты в SPI режиме
Назначение контактов microSD карты в SD режиме
Назначение контактов microSD карты в SPI режиме
Напряжение питания SD карт составляет 2.7 — 3.3 В. Если используемый микроконтроллер запитывается таким же напряжением, то SD можно подключить к микроконтроллеру напрямую. Расово верная схема, составленная путем изучения спецификаций на SD карты и схем различных отладочных плат, показана на рисунке ниже. По такой схеме подключены карты на отладочных платах фирм Olimex и Atmel.
На схеме обозначены именно выводы SD карты, а не разъема.
L1 — феррит или дроссель, рассчитанный на ток >100 мА. Некоторые его ставят, некоторые обходятся без него. А вот чем действительно не стоит пренебрегать, так это полярным конденсатором C2. Потому что при подключении карты происходит бросок тока, напряжение питания "просаживается" и может происходить сброс микроконтроллера.
По поводу подтягивающих резисторов есть некоторая неоднозначность. Поскольку SD карты выпускаются несколькими производителями, на них существует несколько спецификаций. В одних документах четко указана необходимость подтягивающих резисторов (даже для неиспользуемых линий — 8, 9), в других документах этих указаний нет (или я не нашел).
Упрощенный вариант схемы (без подтягивающих резисторов) показан на рисунке ниже. Эта схема проверена на практике и используется в платах фирмы Microelectronika. Также она используется во многих любительских проектах, которые можно найти в сети.
Здесь сигнальные линии SD карты удерживаются в высоком состоянии микроконтроллером, а неиспользуемые линии (8, 9) никуда не подключены. По идее они должны быть подтянуты внутри SD карты. Далее я буду отталкиваться от этой схемы.
Если микроконтроллер запитывается напряжением отличным от напряжения питания SD карты, например 5 В, то нужно согласовать логические уровни. На схеме ниже показан пример согласования уровней карты и микроконтроллера с помощью делителей напряжения. Принцип согласования уровней простой — нужно из 5-и вольт получить 3.0 — 3.2 В.
Линия MISO — DO не содержит делитель напряжения, так как данные по ней передаются от SD карты к микроконтроллеру, но для защиты от дурака можно добавить аналогичный делитель напряжения и туда, на функционировании схемы это не скажется.
Резистивный делитель напряжения — это самый простой вариант согласования уровней, однако при высоких скоростях обмена или длинных проводах он может не подойти. Емкость входов SD карты, а также паразитная емкость линий, вместе с резисторами делителя образует RC фильтры, которые "заваливают" фронты передаваемых сигналов, а у SD карт есть определенные требования к этим фронтам.
Если использовать для согласования уровней буферную микросхему, например CD4050 или 74AHC125, этих недостатков можно избежать. Ниже приведена схема, в которой согласование уровней выполняется с помощью микросхемы 4050. Это микросхема представляет собой 6 неинвертирующих буферов. Неиспользуемые буферы микросхемы "заглушены".
Подключение microSD карт аналогичное, только у них немного отличается нумерация контактов. Приведу только одну схему.
На схемах я рассматривал подключение SD карт к микроконтроллеру напрямую — без разъемов. На практике, конечно, без них не обойтись. Существует несколько типов разъемов и они друг от друга немного отличаются. Как правило, выводы разъемов повторяют выводы SD карты и также содержать несколько дополнительных — два вывода для обнаружения карты в разъеме и два вывода для определения блокировки записи. Электрически эти выводы с SD картой никак не связаны и их можно не подключать. Однако, если они нужны, их можно подключить как обычную тактовую кнопку — один вывод на землю, другой через резистор к плюсу питания. Или вместо внешнего резистора использовать подтягивающий резистор микроконтроллера.
Ну и для полноты картины приведу схему подключения SD карты в ее родном режиме. Он позволяет производить обмен данными на большей скорости, чем SPI режим. Однако аппаратный интерфейс для работы с картой в SD режиме есть не у всех микроконтроллеров . Например у Atmel`овских ARM микроконтроллеров SAM3/SAM4 он есть.
Шина данных DAT[0..3] может использоваться в 1 битном или 4-х битном режимах.
На сегодняшний день карты памяти SD (microSD) стали очень дешевыми и доступными, являются хорошим вариантом для увеличения памяти в своих проектах на микроконтроллерах и встраиваемых системах. В этом проекте мы рассмотрим методы подключения данных типов карт к микроконтроллерам AVR ATmega8, ATmega32 компании Atmel. Основной целью является изучение интерфейса SD карт и понимание процесса передачи данных в «сыром» (без спецификации) формате и в формате файловой системы FAT32.
Как известно, карты памяти SD совместимы с интерфейсом SPI, поэтому их легко можно подключить к микроконтроллеру и наладить с ними обмен данными. Адаптеры для карт типа microSD также являются доступными, из такого адаптера мы можем изготовить слот для карты microSD для нашего макета. На фотографиях ниже показан внешний вид изготовленного адаптера для подключения к макетной плате.
В проект изначально использовалась карта памяти microSD объемом 1 ГБайт. Микроконтроллер – ATmega8 или ATmega32, работающий на частоте 8 МГц от внутреннего RC осциллятора. Кроме того, для подключения макета к персональному компьютеру для мониторинга данных использовался интерфейс RS-232. Для преобразования логических уровней интерфейса используется микросхема MAX232. Для питания схемы необходим стабилизированный источник питания 3.3 В (микросхема MAX232 рассчитана на напряжение питания 5 В, однако, как показала практика, сохраняет работоспособность при 3.3 В). Подключение карты памяти по 7-проводной схеме, согласно распиновке (см. рис).
Принципиальная схема для микроконтроллера ATmega8.
Подтягивающие резисторы R1, R2 номиналом 51 кОм интерфейса SPI придают лучшую стабильность при работе с различными картами. Стабилитроны D1, D2 предназначены для защиты карты памяти при работе внутрисхемного программатора (ISP). Выводы микросхемы MAX232 VCC и GND на схемах не указаны, но их необходимо подкличить к соответствующим точкам схемы.
Принципиальная схема для микроконтроллера ATmega32
Принципиальная схема для микроконтроллера ATmega32 (добавлены часы реального времени на микросхеме DS1307)
Как вы заметили, питание последнего варианта устройства осуществляется от источника 12 В, а на плате установлены два регулятора напряжения 5.0 В (LM7805) и 3.3 В (LM1117-3.3). Для питания интерфейса SD карты используется 3.3 В, вся остальная часть схемы питается от источника 5.0 В. Микросхема часов реального времени DS1307 в стандартном включении и подключена к интерфейсу I2C микроконтроллера.
Сперва был изучен «сырой» формат передачи данных, на примере операций чтения любого блока данных, чтения и записи нескольких блоков данных, стирания нескольких блоков, записи данных в любой блок памяти SD. Устройство, собранное на макетной плате, подключалось к компьютеру по интерфейсу RS-232. Для отображения прочитанных данных с карты памяти, а также для ввода и записи данных на карту используется программа HyperTerminal (или аналогичная) на компьютере.
После удачной реализации обмена данными без спецификации, карта памяти была отформатирована (FAT32) в операционной системе Windows XP, затем на карту были записаны несколько текстовых файлов, директорий и другие типы файлов (в корневую директорию карты). После этого были написаны подпрограммы и функции по работе с файловой системой FAT32 для чтения файлов, для получения списка файлов на карте памяти (с использованием HiperTerminal), для получения информации о полном и свободном объеме памяти.
Вид окна программы HiperTerminal с функциями по работе с картой памяти SD:
Пользователю предлагаются свыше 10 опций по работе с картой памяти (для варианта с часами).
Опции 0 – 4 – это низкоуровневые функции. Gосле использования опций 0 – 3 Вам необходимо переформатировать карту перед использованием FAT32 подпрограмм.
Опции 5 – 9 – относятся к файловой системе FAT32. На данный момент поддерживаются только короткие имена файлов (8 Байт — имя файла, 3 Байта – расширение файла). Если будут записаны файлы с длинными именами, то они будут отображены в терминальной программе в коротком формате. Для тестирования этих опций не забудьте отформатировать карту в файловой системе FAT32, записать несколько директорий и текстовых файлов.
Описание опций:
0 – Erase Blocks – стирание выбранного количества блоков начиная с указанного.
1 – Write Single Block — запись данных в блок с определенным адресом. Данные вводятся с клавиатуры в программе Hiperterminal;
2 – Read Single Block – чтение данных с блока с определенным адресом. Прочитанные данные отображаются в окне терминальной программы;
3 — Writing multiple blocks – запись нескольких блоков, начиная с определенного адреса;
4 — Reading multiple blocks – чтение нескольких блоков, начиная с определенного адреса.
Примечание. Здесь функции работы с несколькими блоками (опции 3 и 4) отключены из-за нехватки памяти микроконтроллера ATmega8, поскольку эти функции не нужны для тестирования файловой системы FAT32. Для включения этих опций необходимо удалить макрос в файле SD_routines.h (#define FAT_TESTING_ONLY). И, если Вы используете ATmega8, на время тестирования опций 3 и 4 библиотека FAT32 может быть удалена с целью освобождения памяти микроконтроллера.
5 – Get File List – отображает список доступных директорий и файлов с занимаемым ими объемом памяти (в корневой директории карты);
6 – Read File – чтение указанного файла и отображение содержимого в окне терминальной программы;
7 – Create File – создать/добавить файл с указанным именем;
8 – Delete File – удалить все файлы файл с указанным именем;
9 – Read SD Memory Capacity – информация о полном и свободном объеме карты памяти (используется FSinfo сектор SD карты).
В терминальной программе последовательный порт настраивается на скорость обмена 19200 бод, без контроля потока и без проверки четности.
Для версии с часами реального времени (DS1307) на микроконтроллере ATmega32 свойства создаваемых или обновляемых файлов привязываются к дате и времени (дата создания/изменения), эти свойства прописываются в файловой таблице и могут быть проверены с помощью компьютера, а также часы могут быть полезны при сборе данных. В меню опций в терминальной программе добавлены три опции:
a – Show Date&Time – по этой команде в окне терминальной программы отображается текущая дата и время;
b – Update Date – обновить дату;
с – Update Time – обновить время.
Также в верхней части отображается информация об определенной карте памяти:
Исходные файлы проекта:
Для разработки ПО и компиляции использовался Си компилятор WinAVR совместно с AVRStudio
Версия 2.4 (ATmega32, поддержка часов реального времени, поддержка SDHC) от 17 мая 2010 г..
Версия 2.3 (ATmega32, поддержка SDHC) от 09 мая 2010 г.
Версия 2.1 для микроконтроллера ATmega8, без поддержки SDHC:
Версии 2.3, 2.4 тестировались на микроконтроллере ATmega32, но могут быть адаптированы под любой контроллер с памятью SRAM не менее 1 КБайт и Flash-памятью программ не менее 16 КБайт.
Дополнительные материалы:
Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман
