1 引言
飛機(jī)飛行狀況監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集儀。用于采集飛機(jī)試飛時(shí)的各種飛行數(shù)據(jù)，要求大量的存儲(chǔ)容量。它具有功能強(qiáng)、性價(jià)比高、安裝和使用方便的特點(diǎn)。采集儀可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行配置，對(duì)八路傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采樣及數(shù)據(jù)處理，將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并通過其報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)警。采集儀既可以單機(jī)獨(dú)立工作，也可以通過RS－485總線將多達(dá)16臺(tái)采集儀與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)組成在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用范圍包括各種不同類型的電機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、齒輪箱、軋機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電站和離心機(jī)，以及各種機(jī)械設(shè)備常見故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。
2 硬件功能原理與設(shè)計(jì)
SD卡的外形和接口如圖1所示。根據(jù)SD卡與主控制器的通信協(xié)議不同，SD卡對(duì)外提供兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引腳的功能也不同，具體引腳功能如表1所示。在具體通信過程中，主機(jī)只能選擇其中一種通信模式。通信模式的選擇對(duì)于主控制器來說是透明的，卡會(huì)自動(dòng)檢測(cè)復(fù)位命令的通信協(xié)議模式，而且通信模式一旦選定，系統(tǒng)在通電情況下不能改變。SD模式下，主控制器使用SD總線訪問SD卡。可通常的單片機(jī)沒有硬件SD總線，盡管可以借助通用口線用軟件仿真，但訪問速度較低，還要大量占用CPU時(shí)間，而單片機(jī)多具有SPI總線。
注：S--電源；I--輸入；O--推挽輸出；PP--推挽I/O。
在SPI總線模式下。CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)。DI（DataIn）為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，DO（DataOut）為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)。SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，還具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI兩種模式的對(duì)外接口等。外部主控制器訪問卡的外部信號(hào)線并不與存儲(chǔ)器單元直接相連，而是通過卡的接口控制器與存儲(chǔ)器單元接口相連。卡內(nèi)存儲(chǔ)單元的讀，擦，寫由卡接口控制器根據(jù)主控制器的命令自動(dòng)處理完成，而主控制器無須知道卡內(nèi)是如何操作、管理存儲(chǔ)單元的。SD卡內(nèi)部有6個(gè)信息寄存器，用來設(shè)置和保存操作卡的關(guān)鍵信息，有兩個(gè)狀態(tài)寄存器，用來記錄操作卡的當(dāng)前狀態(tài)。
采集儀的主控制器采用了C8051F020單片機(jī)。C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片。這個(gè)系列單片機(jī)與8051在指令上完全兼容，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)。又?jǐn)U展了豐富的外設(shè)，是一種名副其實(shí)的SOC （System On Chip）單片機(jī)，與SD卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下：
單片機(jī)內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)。指令運(yùn)行速度高。指令運(yùn)行速度比一般的80C51系列單片機(jī)提高了大約10倍。
具有SPI 硬件接口。可與SD卡的SPI 總線很好接口。
具有8個(gè)8位I/O端口。除滿足數(shù)據(jù)采集需要外。有足夠的口線用于單片機(jī)與SD卡的連接。而且。這些口線可通過軟件進(jìn)行配置，獲得不同的功能，其中SPI 接口，就是通過配置相關(guān)寄存器而獲得的。
具有可擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。支持22個(gè)中斷源。
片內(nèi)存儲(chǔ)器包括64KB的Flash、和4KB的XRAM。不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器。就可以滿足文件系統(tǒng)的建立和訪問SD 卡的需要。
3.3V的工作電壓，與SD卡工作電壓兼容。
時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善，可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘。
可實(shí)現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試。
C8051F系列單片機(jī)的SPI串行接口的主要特點(diǎn)如下：全雙工，三線同步傳輸，即在發(fā)送的同時(shí)也能接受；可以工作在主機(jī)方式或從機(jī)方式；主機(jī)最大數(shù)據(jù)傳輸速率（位/秒）是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1/2.因而最高可達(dá)10Mb/s；SPI位傳輸速率可通過編程選擇；發(fā)送結(jié)束設(shè)置中斷標(biāo)志。發(fā)送期間不占用CPU時(shí)間；串行時(shí)鐘極性與相位可編程改變；具有寫沖突保護(hù)和總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)。
對(duì)于C8051F020的SPI系統(tǒng)。首先通過設(shè)置I/O端口功能選擇開關(guān)控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2.將I/O端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3配置成SPI功能引腳SCK、MISO、MOSI和NSS。此時(shí)I/0端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3就組合成SPI接口了。SPI0CFG是SPI的配置寄存器，用于配置SPI的工作方式。并反映通信過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。并反映通信過程中的一些錯(cuò)誤標(biāo)志，SPI0CKR是SPI的時(shí)鐘速率寄存器，用于選擇SCK輸出的頻率。
主控制器C8051F020與SD卡座的電路連接圖如圖3所示。除了SPI接口的連接外，還有三根控制線，P0.4_SD_INSERT就是I/O端口P0.4，用于檢測(cè)SD卡在卡座上是否插好。完全插入時(shí)該引腳為低電平，否則為高電平。P0.5_SD_WP就是I/O端口P0.5，用于檢測(cè)SD卡當(dāng)前是否設(shè)置寫保護(hù)。寫保護(hù)時(shí)該引腳為高電平，否則為低電平。P0.6_SD_POWER就是I/O端口P0.6，用于SD卡的供電控制，這是為了在SD卡進(jìn)入不確定狀態(tài)時(shí)，可以通過對(duì)卡重新上電復(fù)位而無需拔出卡。
3 軟件設(shè)計(jì)
硬件抽象層包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)以及SPI中斷的處理。硬件環(huán)境配置包括硬件初始化、以及內(nèi)存變量初始化等。SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)，包括主控制器向SD卡發(fā)送一字節(jié)和從SD卡讀取一字節(jié)的基本函數(shù)，這是所有SPI通訊的基礎(chǔ)。SPI中斷處理是SPI接口產(chǎn)生中斷時(shí)。中斷服務(wù)程序被自動(dòng)調(diào)用，在中斷服務(wù)程序中，讀取SPI控制寄存器。這里存放著產(chǎn)生中斷的各種狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)不同的狀態(tài)標(biāo)志，調(diào)用不同的函數(shù)處理。
命令層，就是調(diào)用硬件抽象層的基本發(fā)送接收字節(jié)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)SD卡所有SPI協(xié)議規(guī)定的命令。根據(jù)SD卡協(xié)議，訪問SD卡的不同功能，由不同的命令實(shí)現(xiàn)。這些命令分成0—9個(gè)不同的類別。每種類別包括幾個(gè)具體的命令，對(duì)于SPI協(xié)議，每個(gè)命令都由主機(jī)主動(dòng)發(fā)送。高位在前低位在后，SD卡收到命令后。根據(jù)不同的命令做出不同的響應(yīng)。主機(jī)發(fā)送的命令長(zhǎng)度總是6個(gè)字節(jié)。命令的格式如表2所示，Command表示命令號(hào)，占用6位，Parameter表示命令參數(shù)，長(zhǎng)度為4字節(jié)，不同的命令對(duì)應(yīng)不同的命令參數(shù)值。SD卡的響應(yīng)有4種格式，分別為R1、R1B、R2和R3格式。
表2 SPI模式命令格式
字節(jié)6 字節(jié)2～5 字節(jié)1
0 1 Command Parameter（高位在前） CRC 1
應(yīng)用層函數(shù)提供客戶程序訪問SD卡的高級(jí)接口函數(shù)。使客戶不需要知道SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和命令內(nèi)容、不需要知道SPI的接口協(xié)議等基本內(nèi)容，客戶程序只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用接口函數(shù)了解SD卡的當(dāng)前狀態(tài)、讀取自己需要的內(nèi)容或?qū)懭胱约旱膬?nèi)容。應(yīng)用層程序是在命令層基礎(chǔ)上的更高抽象，調(diào)用命令層函數(shù)實(shí)現(xiàn)
4 結(jié)論
本文將SD卡存儲(chǔ)方式運(yùn)用到飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性，使采集數(shù)據(jù)的讀出變得簡(jiǎn)單易行。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用8051單片機(jī)作主控制器，本次設(shè)計(jì)選用與8051完全兼容的高性能單片機(jī)C8051F020。既繼承了原有采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，又滿足了訪問SD卡的功能要求，加快了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)程。