基于STM32F103XX微處理器的Micr0 SD卡讀寫

摘要：基于STM32F103XX微控制器的遠(yuǎn)程智能心臟檢測(cè)儀采用Micro SD作為存儲(chǔ)介質(zhì)保存特定的心電信號(hào)。所存Micro SD卡中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要能夠在計(jì)算機(jī)上直接存取，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以FAT32文件格式寫入Micro SD卡。研究了使用STM32F103XX微處理器，采用SPI模式與Micro SD接口，將數(shù)據(jù)寫入Micro SD的軟件方法及硬件設(shè)計(jì)。采用的FAT開源文件系統(tǒng)FATFS是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，容易移值和使用，占用硬件資源相對(duì)較小而且功能強(qiáng)大。
關(guān)鍵詞：STM32F1103XX；Micro SD；SPI；FATFS

O 引言
    由于遠(yuǎn)程智能心臟檢測(cè)儀器對(duì)采集到的心電信號(hào)是實(shí)時(shí)處理與存儲(chǔ)的。因此，本文在STM32F103XX微處理器的基礎(chǔ)上，采用Micro SD存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵心電信號(hào)的存儲(chǔ)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 STM32F103xx微處理器簡(jiǎn)介
    STM32F103XX基于高性能32位RISC的ARMCortex-M3核，工作頻率為72 MHz。片上集成了高速存儲(chǔ)器，通過(guò)APB總線連接了豐富、增強(qiáng)的外設(shè)和I／O。所有的設(shè)備都提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。
1．2 SPI協(xié)議
    由于SPI(setial peripheralinterface)總線占用的接口線少，通信效率高，并且支持大部分處理器芯片，因而是一種理想的選擇。SPI是利用4根信號(hào)線進(jìn)行通信的串行接口協(xié)議，包括主／從兩種模式。4個(gè)接口信號(hào)為：串行數(shù)據(jù)輸入(MISO，主設(shè)備輸入、從設(shè)備輸出)、串行數(shù)據(jù)輸出(MOSI，主設(shè)備輸出、從設(shè)備輸入)、移位時(shí)鐘(SCK)、低電平有效的從設(shè)備使能信號(hào)(cs)。SPI最大的特點(diǎn)是由主設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)的出現(xiàn)與否來(lái)確定主／從設(shè)備間的通信。一旦檢測(cè)到主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)開始傳輸。
1．3 Micro SD卡簡(jiǎn)介
    Micro SD卡的接口可以支持2種操作模式：SDIO模式和SPI模式。設(shè)計(jì)者可以選擇其中任一模式。SDIO模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高，但是大部分微控制器無(wú)此接口，使用軟件模擬協(xié)議復(fù)雜。SPI模式使用簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，目前大多數(shù)微控制器都提供SPI接口。SPI模式相對(duì)于SDIO模式的缺點(diǎn)是損失了傳輸速度，但目前微處理器的處理速度越來(lái)越高，利用SPI模式大多都能滿
足工程需要。
    Micro SD卡要求用全雙工、8位的SPI操作。STM32F103XX微處理器和Micro SD卡之間只需要4根信號(hào)線就可以完成數(shù)據(jù)的讀／寫，當(dāng)CS片選信號(hào)線為低電平時(shí)，微處理器開始所有的總線傳輸。數(shù)據(jù)從微處理器的MOSI引腳同步輸入Micro SD卡的DI引腳，并由Micro SD卡的DO線同步輸入微處理器的MISO引腳，數(shù)據(jù)在CLK信號(hào)的上升沿同步輸入和輸出。在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)尾還必須提供8個(gè)額外的時(shí)鐘，以允許Micro SD卡完成任何未完結(jié)的操作。另外，使用SPI模式時(shí)，為了防止在無(wú)卡接入或卡驅(qū)動(dòng)器呈高阻態(tài)時(shí)總線懸空，根據(jù)SD卡規(guī)范，這些信號(hào)需要在微處理器端用10～100 kΩ的上拉電阻，其硬件連接電路如圖1所示。

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2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)一部分是基于STM32固件庫(kù)，該固件庫(kù)針對(duì)基于ARM的32位微處理STM32F101XX和STM32F103XX。其中，包括程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和覆蓋所有外設(shè)特性的宏單元，還包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)的描述以及每個(gè)外圍模塊的實(shí)例。因此，使用該固件庫(kù)可以節(jié)省許多時(shí)間，將更多的時(shí)間花費(fèi)在編程方面，從而減少了在應(yīng)用開發(fā)中的綜合開銷。
2．1 Micro SD卡初始化為SPI總線模式
    STM32F103XX微處理器包括2個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)，可以方便地對(duì)Micro SD卡接口進(jìn)行配置。首先對(duì)要用到的SPIl接口采用命令SPI_In-it(SPIl，＆SPI_InitStructure)進(jìn)行初始化，并使能SPIl。
    剛上電時(shí)，Micro SD卡缺省使用專有的SD總線協(xié)議，將Micro SD卡切換到SPI模式，主機(jī)需要發(fā)出命令CMDO(GO-IDLE-STATE)。Micro SD卡會(huì)檢測(cè)到SPI模式選擇信息，因?yàn)榭ㄟx擇(CS)引腳在該命令和其他所有SPI命令傳送過(guò)程中都保持為低電平，故MicroSD卡以R1作為響應(yīng)，空閑狀態(tài)位被置為高電平，此時(shí)MicrlO SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)，此階段的SPI時(shí)鐘頻率不能超過(guò)400 kHz。Micro SD卡進(jìn)入SPI模式后，主機(jī)應(yīng)該先發(fā)一條初始化指令CMD1(ActiVates the card process)，此時(shí)可將SPI頻率設(shè)置為高速模式。然后發(fā)送命令CMD59決定是否開啟CRC校驗(yàn)，設(shè)置讀／寫塊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，最后延遲8個(gè)時(shí)鐘后返回。Micro SD初始化流程如圖2所示。


2．2 Micro SD卡讀寫單塊數(shù)據(jù)
    從Micro SD卡中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊只需要主機(jī)發(fā)送CMD17(MSD_READ_SINGLE_BLOCK)命令，并將起始地址作為參數(shù)(此地址必須和介質(zhì)上一個(gè)塊的起始位置對(duì)齊)，然后Micro SD卡會(huì)驗(yàn)證這個(gè)字節(jié)地址，并以一個(gè)R1命令作為響應(yīng)。在完成Micro SD卡讀取操作后，先發(fā)送一個(gè)起始數(shù)據(jù)命令，接著發(fā)送固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，最后是2個(gè)字節(jié)CRC校驗(yàn)。讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊由函數(shù)u8 MSD_ReadBlock(u8*pBuffer，u32 ReadAddr，u16 NumByteToRead)來(lái)完成，pBuffer是一個(gè)指針，它指向接受Micro SD卡數(shù)據(jù)內(nèi)存緩沖區(qū)的地址，ReadAddr是要讀取數(shù)據(jù)在Micro SD卡中的地址，NumByteToRead是要讀取的字節(jié)數(shù)，一般為512 B。[!--empirenews.page--]
    從Micro SD卡中寫入一個(gè)數(shù)據(jù)塊與讀取數(shù)據(jù)塊相似。主機(jī)發(fā)送CMD24(MSD_WRITE_BLOCK)命令啟動(dòng)寫操作過(guò)程，Micro SD卡將以R1命令響應(yīng)格式進(jìn)行應(yīng)答。如果命令響應(yīng)，則進(jìn)行寫操作，主機(jī)發(fā)送起始令牌，然后發(fā)送固定數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)(512 B)，返回一個(gè)數(shù)據(jù)響應(yīng)令牌，指示需要寫入的數(shù)據(jù)是否完成，最后是2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)，寫入一個(gè)數(shù)據(jù)塊由函數(shù)u8 MSD_WriteBuffer(u8*pBuffer，u32 WriteAddr，u32 Num-ByteToWrite)來(lái)完成，向Micro SD卡寫數(shù)據(jù)函數(shù)中的參數(shù)與向Micro sD卡讀數(shù)據(jù)函數(shù)中的參數(shù)相同。讀／寫單塊數(shù)據(jù)流程如圖3所示。


2．3 Micro SD卡的文件存儲(chǔ)
    由于需要Micro SD卡上的數(shù)據(jù)能夠在計(jì)算機(jī)上直接讀／寫，所以Micro SD卡文件系統(tǒng)必須與計(jì)算機(jī)的文件系統(tǒng)一致。目前常用的文件系統(tǒng)主要有微軟的FATl2，F(xiàn)ATl6，F(xiàn)AT32，NTFS，以及Linux系統(tǒng)下的 EXT2，EXT3等。由于微軟Windows的廣泛應(yīng)用，在當(dāng)前的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，用得最多的還是FAT文件系統(tǒng)，如U盤、MP3，MP4，數(shù)碼相機(jī)等，所以找到一款容易移植和使用、占用硬件資源相對(duì)較小而功能又強(qiáng)大的FAT開源文件系統(tǒng)，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是很重要的。所以在Micro SD卡存儲(chǔ)機(jī)制上，移植了FAT FS文件系統(tǒng)。FAT FS是一種完全免費(fèi)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，是專門為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，所以具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性，可以移植到多種平臺(tái)而只需做簡(jiǎn)單的修改。需要使用者編寫移植代碼的是FAT FS提供的底層接口，包括存儲(chǔ)介質(zhì)讀／寫接口DiskIO和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。
    FAT FS Module一開始就是為了能在不同的單片機(jī)上使用而設(shè)計(jì)的，所以具有良好的層次結(jié)構(gòu)，如圖4所示。最頂層是應(yīng)用層，使用者無(wú)需理會(huì)FAT FSModule的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的FAT協(xié)議，只需要調(diào)用Module提供給用戶的一系列應(yīng)用接口函數(shù)，如f-open，f-read，f- write，f-Close等就可以像在PC上讀／寫文件那樣簡(jiǎn)單。
2．3．1 文件(或目錄)創(chuàng)建
    在Micro SD卡上創(chuàng)建文件(或目錄)的過(guò)程就是在文件目錄表中申請(qǐng)登記項(xiàng)的過(guò)程。首先程序要檢測(cè)文件目錄表(FDT)中是否已經(jīng)存在該文件，然后申請(qǐng)空閑的FDT 表項(xiàng)。如果存在同名的文件，則返回，創(chuàng)建文件(或目錄)失敗。申請(qǐng)F(tuán)DT表項(xiàng)成功后，程序會(huì)檢測(cè)磁盤剩余的空間是否滿足新創(chuàng)文件數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的需要，而后尋找第一個(gè)空閑的簇號(hào)，并修改對(duì)應(yīng)的FDT表項(xiàng)。根據(jù)文件的大小，不斷循環(huán)查找下一個(gè)空閑的簇，同時(shí)修改當(dāng)前FAT項(xiàng)目為下一個(gè)簇號(hào)，直到最后一個(gè)FAT項(xiàng)寫入0xFFFFH，以表示文件結(jié)束。新建目錄時(shí)，只需要提供函數(shù)CreateDir()函數(shù)新建目錄的目錄名，其過(guò)程和創(chuàng)建文件一樣，只是不需要提供數(shù)據(jù)相關(guān)的信息。
2．3．2 文件的讀寫
    Micro SD卡上的文件都是以簇(Cluster)為單位存取的。當(dāng)讀取Micro SD卡上的文件時(shí)，首先要根據(jù)文件名查找到文件加目錄登記項(xiàng)(F-DT)，根據(jù)文件中目錄登記項(xiàng)中起始簇號(hào)即可以找到文件在數(shù)據(jù)DATA區(qū)中的第一簇內(nèi)容，并且可以在FAT表中找到第二個(gè)簇號(hào)。根據(jù)第二個(gè)簇號(hào)又能讀取第二簇的數(shù)據(jù)和FAT中第三個(gè)簇號(hào)，這樣就可以讀取全部文件數(shù)據(jù)。寫文件時(shí)要保證 FAT1和FAT2內(nèi)容的一致性，即要對(duì)兩個(gè)FAT進(jìn)行同樣的寫操作。當(dāng)要在已有的文件中增添數(shù)據(jù)時(shí)，程序首先要分析原有文件最后一個(gè)扇區(qū)還有多少剩余空閑字節(jié)數(shù)，以便新添加數(shù)據(jù)與這最后一個(gè)扇區(qū)匯合，超過(guò)扇區(qū)的數(shù)據(jù)在申請(qǐng)新的空閑FAT表項(xiàng)時(shí)，其過(guò)程與新建文件類似。在文件的最后一簇填寫0xFFFFH 表示文件結(jié)束。
2．3．3 文件(或目錄)的刪除
    刪除文件的操作需要提供函數(shù)DeleteFile()刪除文件的文件名和擴(kuò)展名。刪除文件時(shí)，不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件的目錄登記項(xiàng)(FDT)上做一個(gè)刪除標(biāo)記，并把文件在FAT表中所占用的簇標(biāo)記為“空簇”。
    程序先在FDT中查找是否有同名文件，如果存在同名文件，則將在對(duì)應(yīng)的FDT表項(xiàng)中第一個(gè)字節(jié)內(nèi)容改為0xE5H，表示該FDT表項(xiàng)的內(nèi)容已經(jīng)被刪除，新建文件可以使用該表項(xiàng)。最后還需要將FAT表中所有文件相關(guān)簇項(xiàng)目的內(nèi)容都改成Ox0000，釋放出所對(duì)應(yīng)的Micro SD卡磁盤空間。若未找到同名文件，則返回一個(gè)錯(cuò)誤值。刪除目錄的操作只需要提供函數(shù)DeleteDir()刪除目錄的目錄名。程序先在FDT中查找是否有同名目錄項(xiàng)，如果存在同名目錄項(xiàng)，則將對(duì)應(yīng)的FDT表項(xiàng)中第一個(gè)字節(jié)內(nèi)容改為0xE5H。然后讀出對(duì)應(yīng)目錄的起始簇號(hào)，在該簇號(hào)中去刪除該目錄下的所有文件。

3 結(jié)語(yǔ)
    該方案已經(jīng)成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程智能心臟檢測(cè)儀器中，為心臟檢測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集提供了一種非易失性存儲(chǔ)器的解決方案，遠(yuǎn)程智能心臟檢測(cè)儀器采集得到的數(shù)據(jù)信息以FAT32標(biāo)準(zhǔn)文件的格式保存于Micro sD卡中，數(shù)據(jù)文件可在Windows下讀取，在保證高性價(jià)比的同時(shí)，又方便了數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理。