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随着工业控制系统功能的增强，系统对于存储介质的安全、容量、性能的要求越来越高。Micro SD卡是在SD卡和Mini SD卡基础上发展起来的一种多功能存储卡，具备串行和随机存取能力，可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠，安全性好，传输速度快，存储容量大，体积小，被列为目前全球最小的迷你存储卡。Micro SD卡支持SD模式和SPI模式。随着高性能单片机的性能不断提高，利用高性能、低功耗的AVR8位ATmegal28L单片机的串行外设接口SPI与Micro SD卡之间进行高速同步数据传输，设计开发了一种嵌入式文件系统。
1 硬件电路设计
MicrO SD卡的接口可以支持两种操作模式：SD模式和SPI模式。主机系统可以选择其中任一模式。SD卡模式允许4线的高速数据传输，传输速率高，但是大部分单片机无此接口，使用软件模拟协议复杂。SPI模式使用简单通用的SPI通道接口就可实现数据传输，目前大多数单片机提供SPI接口。SPI模式的优势在于可以使用标准主机，从而把外设减少到最低。SPI模式相对于SD模式的缺点是损失了传输速度；但是目前的微处理器的处理速度越来越高，利用SPI模式大都能满足工程需要。
Micro SD卡要求用全双工、8位的SPI操作。
ATmegal28L单片机和Micro SD卡之间只需要4根信号线就可以完成数据的读写，当CS信号线为低电平时，主机开始所有的总线传输。数据从单片机的MOSI引脚同步输入Micro SD卡的DI引脚，并由Micro SD卡的DO线同步输入单片机的MISO引脚，数据在CLK信号的上升沿同步输入和输出。在每个数据传输的结尾还必须提供8个额外的时钟，以允许 Micro SD卡完成任何未完结的操作。由于Micro SD卡的电压为3．3 V，所以选择需要支持3．3 V的I／O端口输出的ATmegal28L单片机。另外，使用SPI模式时，为了防止在无卡接人或卡驱动器呈高阻态时总线悬空，根据SD卡规范，这些信号需要在主机端用10 kQ～100 kΩ的上拉电阻，其硬件连接电路如图1所示。
2 软件设计
2．1 Micro SD卡初始化为SPI总线模式
ATmegal28L单片机包含一个串行外设接口SPI，可以方便地对Micro SD卡接口进行配置。为了配置时钟和数据长度，需要对SPI控制寄存器SPCR和SPI状态寄存器SPSR进行设置：使能SPI，选择单片机为主机模式，时钟上升沿锁存数据，并且对SPI时钟进行设置。Micro SD卡的SPI模式通信由主机控制。每一个指令或数据块由8位的字节和CS标志构成，SPI通信由指令、响应和数据组成。主机先将Micro SD卡的片选CS置低，激活MicroSD卡进人工作状态。
刚上电时，Micro SD卡缺省使用专有的SD总线协议。将Micro SD卡切换到SPI模式，主机需要发出命令(2MD0(GO_IDLE_STATE)。Micro SD卡会检测到SPI模式选择信息，因为卡选择(CS)引脚在该命令和其他所有SPI命令传送过程中都保持为低电平。Micro SD卡以R1作为响应。空闲状态位被置为高电平，此时Micro SD卡进入空闲状态，此阶段的SPI时钟频率不能超过400kHz(将SPCR寄存器设置为0x53)。Micro SD卡进入SPI模式后，主机应该先发一条初始化指令CMD1。此时可将SPI频率设置为高速模式(将SPCR寄存器设置为0x50)。然后发送命令 CM1359决定是否开启CRC校验，设置读、写块数据长度，最后延迟8个时钟后返回。MicroSD初始化流程如图2所示。
2．2 Micro SD卡读写单块数据
从Micro SD卡中读取一个数据块只需要主机发送CMDl7(READl_SINGLE_BLOCK)命令，并将起始地址作为参数(此地址必须和介质上一个块的起始位置对齐)，然后．Micro SD卡会验证这个字节地址，并以一个R1命令作为响应。完成了Micro SD卡读取操作后，先发送一个起始数据命令，接着发送固定数量的数据，最后是两个字节CRC校验。
从Mimro SD卡中写入一个数据块和读取数据块相似，需要主机发送CMI)24(wRITE_BLOCK)命令启动写操作过程，Micro SD卡将以R1命令响应格式进行应答。如果命令响应，则进行写操作，主机发送起始令牌，然后发送固定数量的数据字节(512字节)，返回一个数据响应令牌指示需要写入的数据是否完成，最后是两个字节的CRC校验，读写单块数据流程如图3所示。
2．3 Micro SD卡的文件存储
为了方便ATmegal28L单片机对Micro SD卡中文件进行操作，以及要使Micro sD卡的数据能在PC机上得到正确的访问，需要在Micro SD卡上创建它们支持的文件系统，这就需要设计自己的文件管理系统FAT。FAT文件系统有FATl2、FATl6、FAT32，它们的主要不同是在磁盘分配表结构中每个记录所占的位数不同。FAT32文件分配表每一表项为32位。本文选择建立FAT32文件系统。
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