MMC在便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
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目前比較常見的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)是功能完備的微機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)雖然能較快地分析和處理監(jiān)測(cè)到的信號(hào)，但往往只能在固定的位置使用，在野外和移動(dòng)的情況下則顯得十分笨重和不便。特別是野外數(shù)據(jù)采集作業(yè)，往往需要長(zhǎng)時(shí)間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)，需要體積小、重量輕、存儲(chǔ)容量大的數(shù)據(jù)采集及處理儀器。近幾年，隨著非易失存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展以及處理器（如嵌入式系統(tǒng)和DSP）性能的不斷提高，使信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的耗電量和體積不斷減小，滿足了便攜式的要求，但其讀寫速度不及MMC。多媒體卡MMC（Multimedia Card）是由美國(guó)SANDISK公司和德國(guó)西門子公司在1997年共同開發(fā)研制的一種多功能、體積小、容量大的快閃存儲(chǔ)卡。MMC的發(fā)展目標(biāo)主要是針對(duì)移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、MP3音樂、PDA、電子書、玩具等產(chǎn)品。
MMC在一定程度上改善了CF卡讀寫速度較慢的缺點(diǎn)，并且其體積輕巧、抗沖擊性強(qiáng)、可反復(fù)讀寫30萬次左右。MMC4.0的標(biāo)準(zhǔn)提供了更寬的數(shù)據(jù)帶寬和更快的傳輸速率，并支持雙電壓操作模式。MMC還具備存儲(chǔ)區(qū)糾錯(cuò)能力和低功耗特性，如果5ms內(nèi)沒接收到系統(tǒng)控制命令字，MMC則會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，同時(shí)它還支持熱拔插操作。由此可見，將MMC應(yīng)用于大容量便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種很好的選擇。
1 MMC的結(jié)構(gòu)及工作原理［1］
1.1 MMC的管腳及功能
MMC常被設(shè)計(jì)為一種低成本的數(shù)據(jù)平臺(tái)和通訊介質(zhì)，其存儲(chǔ)容量可達(dá)2GB。MMC的接口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，如圖1所示。它采用7針接口，低成本的串行總線，時(shí)鐘頻率可達(dá)20MHz。MMC的操作電壓為2.7～3.6V，讀/寫電流也只有23mA和27mA。MMC最小數(shù)據(jù)傳送單位是塊，塊的大小缺省值定義為512B。MMC的讀寫模式包括流式模式、多塊模式和單塊模式等。
MMC讀寫接口可在MMC協(xié)議和SPI兩種通信協(xié)議下工作。MMC協(xié)議是MMCA協(xié)會(huì)開發(fā)的高性能三線制通信協(xié)議，可尋址64 000張MMC多媒體卡，支持順序讀/寫操作、單/多數(shù)據(jù)塊讀/寫操作。表1是MMC使用SPI協(xié)議時(shí)的管腳定義。
1.2 MMC的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及功能
MMC的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)可分為四部分：SPI/MMC通信協(xié)議接口、單芯片控制器、數(shù)據(jù)閃存模塊、控制線和數(shù)據(jù)線。SPI/MMC接口實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信，單芯片控制器完成接口協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索、糾錯(cuò)碼算法、故障判斷處理、電源管理和時(shí)鐘控制等功能。數(shù)據(jù)閃存模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)空間的單字節(jié)訪問，控制線和數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)單芯片控制器與數(shù)據(jù)閃存模塊的訪問及數(shù)據(jù)傳輸。
1.3 SPI/MMC通信協(xié)議
MMC協(xié)議是MMC默認(rèn)的通信協(xié)議，SPI協(xié)議作為MMC協(xié)議的一個(gè)子集，是MMC協(xié)議的可選協(xié)議。其工作效率雖然不及MMC協(xié)議強(qiáng)大，但是SPI協(xié)議簡(jiǎn)單易用、兼容性好、便于和單片機(jī)連接使用，且可以把設(shè)計(jì)費(fèi)用減到最小。SPI協(xié)議主要應(yīng)用于MMC需要數(shù)量不大并且數(shù)據(jù)傳輸率要求不太高的系統(tǒng)。
MMC通電后，會(huì)以默認(rèn)方式進(jìn)入MMC協(xié)議模式；如果要轉(zhuǎn)入SPI協(xié)議模式，則需要進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議模式切換；如果要從SPI協(xié)議模式轉(zhuǎn)入MMC協(xié)議模式，只要切斷電源后重新通電，系統(tǒng)即能以默認(rèn)方式進(jìn)入。本設(shè)計(jì)采用SPI通信協(xié)議模式。
1.4 MMC的文件系統(tǒng)
MMC的文件格式定義并不包括在系統(tǒng)規(guī)范內(nèi)。為了提高資料的互換性，MMC定義了三種基本的文件系統(tǒng)，其中除了不帶分區(qū)的DOS-FAT文件系統(tǒng)和類似硬盤帶分區(qū)的文件系統(tǒng)外，開發(fā)者還可以定義自己獨(dú)特的文件系統(tǒng)。這些定義使得MMC同樣具有廣泛的操作系統(tǒng)平臺(tái)(如DOS系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)及Linux系統(tǒng)等)支持。
2 MMC的SPI協(xié)議
2.1 SPI接口及通信模式
SPI接口是一種通用同步串行接口總線，用來同外部設(shè)備進(jìn)行通信，字長(zhǎng)為8位。SPI接口利用CLK、DataIn、 DataOut三線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。其中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，由外部控制器提供；DataIn和DataOut為數(shù)據(jù)輸入和輸出線。
是MMC的片選信號(hào)線，在整個(gè)SPI操作過程中，
必須始終保持低電平有效。
2.2 MMC命令的CRC校驗(yàn)
為了確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的準(zhǔn)確性，MMC在數(shù)據(jù)處理時(shí)均采用CRC校驗(yàn)字。MMC的CRC校驗(yàn)分為CRC7和CRC16兩種。CRC7幾乎適合于MMC的所有命令（只是應(yīng)答信號(hào)格式為R3的除外），CRC7的算法表達(dá)式為：G(x)=x7+x3+1。而CRC16用于數(shù)據(jù)塊傳輸模式的保護(hù)處理，它的算法表達(dá)式為：G(x)=x16+x12+x5+1。
2.3 MMC命令的應(yīng)答信號(hào)格式
所有MMC的命令字長(zhǎng)度均為6個(gè)字節(jié)，傳輸從高位開始，且包含一個(gè)CRC校驗(yàn)字。命令字的格式如表2所示。
對(duì)于MMC的命令，MMC有多種應(yīng)答信號(hào)格式，且應(yīng)答信號(hào)的傳輸方向也是從高位開始。在SPI協(xié)議模式下，有5種應(yīng)答信號(hào)格式：即R1、R2、R3、Busy和R1b。
通常，MMC接收到每個(gè)命令字后，都會(huì)發(fā)送一個(gè)格式為R1的應(yīng)答信號(hào)（卡狀態(tài)查詢命令字CMD13除外），此應(yīng)答信號(hào)為1字節(jié)，最高位為0，其他位為錯(cuò)誤標(biāo)志位，如表3所示。
Busy格式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為多個(gè)字節(jié)。各位均為0時(shí)，表示MMC正忙；如果存在非0位，表明MMC已經(jīng)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)命令。
R2格式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)，用于答復(fù)卡狀態(tài)查詢命令字CMD13，首字節(jié)同R1，第2字節(jié)表示的是錯(cuò)誤類型，如表4所示。
R3格式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為5個(gè)字節(jié)，用于答復(fù)卡內(nèi)OCR寄存器，R3的首字節(jié)同R1，其余4字節(jié)為OCR寄存器的內(nèi)容。
R1b格式應(yīng)答信號(hào)包括兩部分：R1格式部分和Busy格式可選附加部分。
3 MMC的命令
MMC的命令字共分為10個(gè)命令組，SPI協(xié)議模式支持其中的6個(gè)命令組，可以實(shí)現(xiàn)MMC系統(tǒng)的基本設(shè)定、數(shù)據(jù)塊讀、數(shù)據(jù)塊寫、擦除、寫保護(hù)和MMC鎖定等功能。以堆棧的檢查管理命令CIM_CHECK_STACK為例，它是命令組中基本設(shè)定命令之一。它主要通過命令SEND_CSD(CMD9)讀取MMC的信息，然后與進(jìn)入系統(tǒng)堆棧表的接口卡的信息進(jìn)行對(duì)比。如果不是上一張卡，再判定是否超時(shí)和超出卡的限定數(shù)量，從而確定該卡是否已進(jìn)入系統(tǒng)。堆棧的檢查管理命令流程圖如圖2所示。
4 MMC與嵌入式系統(tǒng)芯片組成的大容量便攜式數(shù)據(jù)采集器的接口
4.1 MMC與嵌入式芯片的硬件接口設(shè)計(jì)
圖3是MMC與嵌入式系統(tǒng)芯片PIC16F73B的硬件接口。圖中，F(xiàn)M24CL64為緩存芯片，采用Port C的硬件SPI接口對(duì)MMC卡進(jìn)行讀寫操作[2][3]。
4.2 MMC與嵌入式芯片的軟件接口設(shè)計(jì)
MMC與嵌入式芯片接口的部分軟件流程如圖4所示。
在訪問MMC存儲(chǔ)單元前，需要首先設(shè)定訪問塊的長(zhǎng)度，系統(tǒng)默認(rèn)訪問塊的長(zhǎng)度為512字節(jié)，通過寫緩存芯片F(xiàn)M24CL64完成。當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)達(dá)到512個(gè)字節(jié)時(shí)即轉(zhuǎn)入MMC主存，故讀寫長(zhǎng)度不需要再重新設(shè)定。MMC格式化為FAT文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，數(shù)據(jù)以文件的形式保存，這樣可方便上位機(jī)對(duì)MMC主存的讀取。以下是嵌入式系統(tǒng)對(duì)MMC卡寫文件的部分程序代碼：
Void file_write(DIR_tag *file_tag,char*){
U16 j.offset=file_tag.StartCluster*2；
Mmc_read_block(sdc，fat1_addr+offset/512，mmc-buffer)；
Mmc_buffer[offset%512]=0xff；
Mmc_buffer[offset%512+1]=0xff；
Mmc_write_block (sdc，fat1_addr+offset/512，mmc_buffer)；
Mmc_write_block (sdc，fat2_addr+offset/512，mmc_buffer)；
For (j=0；j
}
采用嵌入式系統(tǒng)芯片PIC16F73B與MMC搭建信號(hào)采集的硬件平臺(tái)，僅使用很少的外部邏輯電路。整個(gè)系統(tǒng)可以采用3.3V單一低電壓供電，供電電路非常簡(jiǎn)單。在系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)上，可以采用交替式雙緩存機(jī)制，將采集到的數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(圖3中的FM24CL64)中。當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫滿時(shí)發(fā)出溢出中斷，再對(duì)MMC進(jìn)行突發(fā)式寫操作。當(dāng)寫操作完畢后可以發(fā)送命令，使MMC立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，將功耗降至最低。這樣在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作的大部分時(shí)間內(nèi)，MMC處于休眠狀態(tài)，工作電流很低。該系統(tǒng)適于野外(如地質(zhì)、石油等部門)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作，數(shù)據(jù)文件可以在Windows環(huán)境下用讀卡器讀取，方便了數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理，且具有低功耗、攜帶方便、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] Multimedia card product manual rev 5.1[S].SANDISKCORPORATION，2002.
[2] 孫方，顏國(guó)正，王文興.Multimedia Card及其與單片機(jī)接口[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004，(6).
[3] 李學(xué)海.PIC單片機(jī)實(shí)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
[4] 張凱，姜熙君，陳 磊等.MMC的文件系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，(5).
評(píng)論