【嵌入式20】STM32F103完成对SD卡的数据读取详细操作_stm32f103 sd卡

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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。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  • 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
CID128卡识别号(Card identification number)：用来识别的卡的个体号码（唯一的）
RCA16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
DSR16驱动级寄存器(Driver Stage Register)：配置卡的输出驱动
CSD128卡的特定数据(Card Specific Data)：卡的操作条件信息
SCR64SD配置寄存器(CD Configuration Register)：SD卡特殊特性信息
OCR32操作条件寄存器(Operation conditiongs register)
SSR512SD状态(SD Status)：SD卡专有特征的信息
CSR32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)NONER1复位SD卡
CMD8(0X08)VHS+Check PatternR7发送接口状态命令
CMD9(0X09)NONER1读取卡特定数据寄存器
CMD10(0X0A)NONER1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)NONER3发送给主机容量支持信息和激活卡初始化过程
CMD55(0X37)NONER1告诉SD卡，下一个是特定应用命令
CMD58(0X3A)NONER3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
在这里插入图片描述
内部结构：
在这里插入图片描述

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

stm32SD卡模块
PA4SDCS
PA5SCK
PA7MOSI
PA6MISO
VCCVCC
GNDGND

在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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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：pan.baidu.com/s/1YxLpaIM6…
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：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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。在这里插入图片描述
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
}

从写入函数中，我们可以知道，针对SD卡文件的每个步骤，我们都进行了相应的字段输出，来具体判断究竟进行到了什么地步。

5、实验结果分析

最开始，要么初始化失败，要么没反应，要么初始化成功之后没反应，各种情况吧。
在这里插入图片描述
之后改变了接线电压，SD卡模块接5v，STM32也接了5v，还是失败。
然后重新接线，换成了新的杜邦线，然后就成功了，只能说这个实验很玄学
在这里插入图片描述

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