基于ARM7的SD卡读写控制在数据采集系统中的应用

　　PDIUSBD12是一款性价比高的USB器件，用于控制系统中与微控制器进行通信的高速通用接口，支持本地DMA传输。PDIUSBD12所具有的低挂起功耗连同LazyClock输出可以满足使用ACPI、OnNOW和USB电源管理的要求，低操作功耗可以应用于使用USB总线供电的外设。LPC2132与D12连接电路如图2所示。

2 软件设计
　　软件设计主要包括D12驱动、SD卡、SPI总线协议和SD卡接口程序设计。
2.1 D12驱动的实现
　　USB协议规定了一些基本准则，每个设备的端点0都是可用的，属于控制端点。有了这个基本的沟通途径，主机就开始通过端点0向设备发出一些获得相关设备基本状态的命令。这些基本状态可以反映USB设备所属的类别及子类，反映配置状态、接口状态和端点状态，主机按照USB协议建立设备间数据通道。主机向设备提出的这些命令实际上是USB协议中规定的各种标准请求，设备向主机传送相应的描述符，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符等。
　　为了使软件可移植性强、易维护，采用了分层的方法编写PDIUSBD12驱动程序。USB驱动程序分层结构表如表1所示。

　　硬件接口（D12HAL.c）包含最底层的函数。D12命令接口（D12CI.c）实现PDIUSBD12的命令接口以简化器件的编程。该层的函数及其功能如下：
　　(1)读取芯片ID号：uint16 D12_ReadChipID(void)
　　(2)设置地址/使能：void D12_SetAddressEnable(UINT8 bAddress，UINT8 bEnable)
　　(3)设置端点使能：void D12_SetEndpointEnable(UINT8 bEnable)
　　(4)设置模式：void D12_SetMode(uint8 bConfig，uint8 bClkDiv)
　　协议层(Chap_9.c)和Descriptor.c用来处理标准的USB设备请求及特殊的厂商请求，如DMA等。USB主机通过标准USB设备请求，可设定和获取USB设备的有关信息，完成USB设备的枚举。
　　所有请求都是通过端点0接收和发送SETUP包完成的。接收主机SETUP包的函数为ep0_rxdone()，所有SETUP包都由函数control_handler()来处理，发送SETUP包的函数为ep0_txdone()。SETUP包的接收和发送通过控制传输结构全局变量CONTROL_XFER ControlData来控制，它实现了以上3个函数之间的通信。CONTROL_XFER结构体的定义如下：
typedef struct _control_xfer
{
　　DEVICE_REQUEST DeviceRequest； //USB设备请求
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//结构体，8 B
　　unsigned short wLength；　　　　//传输数据的总字节数
　　unsigned short wCount；　　　　 //传输字节数统计
　　unsigned char*pData；           //传输数据的指针
　　unsigned char dataBuffer[MAX_CONTROLDATA_SIZE]；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//请求的数据
} CONTROL_XFER；
　　应用层（D12Driver.c）实现PDIUSBD12的所有功能。USB设备控制驱动、USB接口控制驱动和协议层都在应用层的控制之中。应用层要实现的任务包括：
　　(1)初始化PDIUSBD12，包括初始化PDIUSBD12的硬件连接、复位PDIUSBD12、配置PDIUSBD12的中断服务程序地址、初始化应用层相关的全局变量。
　　(2)编写PDIUSBD12中断服务程序，PDIUSBD12几乎所有功能都通过PDIUSBD12中断服务程序完成。因此中断服务程序是应用层的核心部分，也是本驱动程序的核心部分。它要完成以下任务：
　　①控制端点数据接收与发送中断服务程序，负责处理控制传输的有关工作；
　　②端点1和端点2数据接收与发送中断服务程序；
　　③USB总线挂起、复位、DMA结束中断服务程序；
　　④用户读写端点1和端点2的API函数；
　　⑤传输控制处理任务，该任务用于处理枚举、标准任务请求、厂商请求等传输控制。
2.2 SD卡总线协议的实现
　　SD存储卡系统定义了SD和SPI两种通信协议，应用时可以选择其中一种模式。SD卡能使用两种总线协议，因此涉及到协议选择问题。SD卡总是在SD模式下被唤醒，如果系统想要使用SPI模式来对SD卡进行操作，则系统应该在向SD卡发送复位命令(CMD0)期间，保持CS信号有效(低电平)，这样SD卡将进入SPI模式。如果想从SPI模式切换回SD模式，只能对卡掉电再上电。图3为SD卡读写操作图。

2.2.1 SD总线
　　SD总线上的数据通信是基于以起始位开始、以停止位结束的数据位流。
　　命令：命令是启动一项操作的令牌。命令可以从主机发送到一张卡（寻址命令）或发送到连接的所有卡（广播命令）。命令在CMD线上串行传输。
　　响应：响应是从被寻址的卡或（同时）从所有连接的卡发送到主机，作为对接收到的命令的回答的令牌。响应在CMD线上串行传输。
　　数据：数据可以从卡发送到主机或者相反。
　　SD存储卡的数据传输通过块的形式进行。数据块后面通常有CRC位，它定义了单块和多块操作。在快速写操作中使用多块操作模式最理想。当CMD线出现停止命令时，多块传输结束。主机可以配置数据传输是使用一条还是多条数据线。SD模式读操作如图3(a)所示。
2.2.2 SPI总线
　　SPI信道是面向字节的。每个命令或数据块都由8位的字节组成，而且字节与CS信号对齐（即长度是8个时钟周期的倍数）。与SD协议相似，SPI报文由命令、响应和数据块令牌组成。主机和卡之间的所有通信都由主机控制。主机通过将CS信号置低电平启动总线处理。
　　SPI模式中的响应行为在以下三个方面与SD模式不同：
　　(1)被选中的卡总会响应命令。
　　(2)使用两种新的响应结构（8 bit和16 bit）。
　　(3)当卡遇到数据检索错误时会用错误响应（替代要求的数据块），而不是用SD模式中的超时响应。
　　SPI模式支持单块和多块的写命令。在接收有效的写命令前，卡会用响应令牌响应，并等待主机发送数据块。CRC后缀、块的长度和起始地址的限制都与读操作相同。SPI模式写操作如图3(b)所示。
　　在接收到数据块后，卡会用数据响应令牌响应。如果数据块被无错接收，它将被烧写(/编程)到卡中。在卡烧写(/编程)期间，卡会向主机发送连续的忙令牌流(有效地保持DataOut线为低电平)。SPI模式写操作函数如下：
/***********************

**函数名称：SD_Write_BlockData()
**功能描述：写块数据
**入口参数：wrbuf 写缓冲区 m=0 写单块 m=1 写多块
**出口参数：操作是否成功
***********************

　　uint8 SD_Write_BlockData(uint8*wrbuf，uint8 m)
{
　　SPI_CS_Assert()；
　　if(m==0)
　　　　SPI_Send_Byte(SD_TOK_WRITE_
　　　　　　　　　　　　STARTBLOCK)；　　//发写单块令牌
　　else
　　　　SPI_Send_Byte(SD_TOK_WRITE_STARTBLOCK_M)；
　　for(i=0；i　　SPI_Send_Byte(wrbuf)；
　　i=SD_GetCRC16(wrbuf，SD_BLOCKSIZE)；
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//生成CRC校验
　　SPI_Send_Byte((i>>8) & 0xFF)；//发校验和
　　……
　　SPI_CS_Deassert()；
　　if (SD_WaitBusy() != SD_NO_ERROR)
　　return tiMEOUT_ERROR；　　/*写入超时 write time out*/
　　else
　　return SD_NO_ERROR；
}
　　该函数在发送写命令后被调用。首先根据用户请求，向SD卡发送写单块还是写多块的令牌，随后将数据跟在令牌后面发到SD卡。在发送完毕后调用SD_WaitBusy()函数，用以等待SD卡写完成。如果超时就返回一个错误代码。
2.3 SD卡接口及初始化程序设计
　　SD卡通过卡座与MCU连接，卡座连线如图4所示。J12为卡座；CMD/DI和DAT0/DO两条数据线分别接上拉电阻，确保数据稳定；CARD_INSERT为卡完全插入卡座检测线，为高电平时表明无卡；CARD_WP为写保护检测脚，高电平时表示卡被写保护；DAT3/CS为SD卡使能引脚，低电平时卡被选中，使用SPI总线方式；DAT1/IRQ和DAT2通过电阻接地，SD卡的电源不直接与3.3 V相连，MUC可以通过IO口来控制是否为SD卡供电，这样可以方便地对SD卡进行重起操作。