摘 要： 將SD卡作為外部掉電存儲介質(zhì)" title="存儲介質(zhì)">存儲介質(zhì)應(yīng)用于斷路器離線" title="離線">離線測試儀中，介紹了以ATMEGA128單片機作為核心元件，用SPI方式讀寫SD卡的方法和相應(yīng)的文件系統(tǒng)設(shè)計。該方案使斷路器離線測試儀在使用過程中更加靈活，而且操作簡單、節(jié)省了硬件資源，具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞： SD卡 斷路器測試儀
在斷路器離線測試儀的設(shè)計和使用過程中，需要積累大量的正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的歷史動作數(shù)據(jù)，形成樣本庫，作為斷路器進行故障診斷的依據(jù)。從數(shù)據(jù)庫的建立和維護的角度來說，上位機" title="上位機">上位機比儀器本身更占有優(yōu)勢。同時，由于儀器自身硬件系統(tǒng)資源的局限，相對復(fù)雜的故障診斷分析也需要利用上位機軟件來實現(xiàn)。因此，這就需要容量大、移動靈活的測試儀和上位機的中間存儲介質(zhì)。
SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于Flash的新一代存儲器，具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活、安全性能好等優(yōu)點，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質(zhì)。
1 ATMEGA128的SPI接口簡介及基本數(shù)據(jù)傳輸
SPI全稱為“Series Peripheral Interface”，意為“串行外設(shè)接口”，是一種全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€接口。圖1為ATMEGA128單片機主機-從機通過SPI進行互連的示意圖。
系統(tǒng)包括兩個移位寄存器和一個主機時鐘發(fā)生器。主機通過將需要的從機的 SS 引腳拉低，啟動一次通訊過程。主機和從機將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的移位寄存器中。主機在SCK 引腳上產(chǎn)生時鐘脈沖以交換數(shù)據(jù)。主機的數(shù)據(jù)從主機的MOSI移出，從從機的MOSI移入；從機的數(shù)據(jù)從從機的MISO移出，從主機的MISO移入。主機通過將從機的SS引腳拉高實現(xiàn)與從機的同步。
基本的通過SPI接口發(fā)送和接收單個字節(jié)的流程如圖2所示。
值得注意的是，因為發(fā)送和接收是同時進行的，所以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)使用同一個函數(shù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，并不關(guān)心函數(shù)的返回值；在接收數(shù)據(jù)時，可以發(fā)送并無實際意義的字節(jié)(如0xFF)作為函數(shù)的參數(shù)。
2 SPI模式下的ATMEGA128單片機與SD卡的接口電路
SD卡為用戶提供兩種操作模式：SD模式和SPI模式。SPI模式下SD卡的引腳定義如表1所示。在該模式下，SD卡為主機提供了CS、SCLK、DI、DO四線接口。ATMEGA128單片機與SD卡的接口電路" title="接口電路">接口電路如圖3所示。
因為不涉及主從機之間的轉(zhuǎn)換，所以單片機的SS引腳閑置不用。單片機的PORTXn引腳作為SD卡的選通信號。
對于單片機來說，SPI接口和程序下載接口復(fù)用，節(jié)約了單片機的硬件開銷，提高了單片機的資源利用率。
3 SPI模式下對SD卡的操作
SPI模式下SD卡的操作流程如圖4所示。
上電后，SD卡自動進入SD模式。單片機此時使CS信號為低電平，并向SD卡發(fā)送RESET命令(CMD0)，如果SD卡有0x01作為響應(yīng)，則表明SD卡進入SPI模式下的Idle狀態(tài)。在等待至少74個時鐘周期后，向SD卡發(fā)送SEND_OP_COND(CMD1)命令，當輪詢到SD卡的響應(yīng)為0x00時，說明SD卡已經(jīng)準備好接收讀寫操作" title="讀寫操作">讀寫操作了。
對SD卡的基本讀寫操作命令有：數(shù)據(jù)塊讀命令READ_ BLOCK(CMD17)、多數(shù)據(jù)塊讀命令READ_MULTIPLE_BLOCK(CMD18)和數(shù)據(jù)塊寫命令WRITE_BLOCK(CMD24)、多數(shù)據(jù)塊寫命令WRITE_MULTIPLE_BLOCK(CMD25)。
對SD卡的操作都是由一些命令來實現(xiàn)的。所有的命令都是由48個數(shù)據(jù)位組成的，其結(jié)構(gòu)如表2所示。
在應(yīng)用時，可以連續(xù)發(fā)送6個字節(jié)來實現(xiàn)上述的命令格式。
4 應(yīng)用于斷路器離線測試儀的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計
在使用斷路器離線測試儀的過程中，希望記錄下斷路器每次動作時的線圈電流以及動作電壓。按照圖5所示的結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)的存儲。
首先為各次動作數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建父文件夾，以動作的次數(shù)作為文件夾名，CURRENT.TXT和VOLTAGE.TXT分別為各文件夾下記錄電流、電壓數(shù)據(jù)的擴展名為TXT的子文件。
SD卡數(shù)據(jù)區(qū)的組織結(jié)構(gòu)如表3所示。
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在實際應(yīng)用中，只對系統(tǒng)區(qū)進行配置即可。其中的分區(qū)引導扇區(qū)設(shè)置了扇區(qū)(Sector)和串(Cluster)的大小，以及采用哪類文件分配表(FAT12或FAT16)等內(nèi)容。
文件分配表則包含了與目錄或文件相對應(yīng)的入口(Entry)。每個入口由32個字節(jié)組成，包含文件名、擴展名、記錄的時間和日期、起始位置和文件大小等信息。文件的大小可以根據(jù)對電流電壓信號進行采樣時的采樣頻率和采樣時間計算得到。
按照以上原則設(shè)計的文件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、容易維護，能夠滿足上位機數(shù)據(jù)積累和軟件分析的需要。
參考文獻
1 SD memory card specifications. Sanddisk Corporation,2000
2 吳雙力，崔 劍，王伯嶺. AVR-GCC與AVR單片機C語言開發(fā). 北京：北京航空航天大學出版社,2001