基于AVR單片機(jī)和串口的SD卡讀取平臺(tái)的設(shè)計(jì)

O 引言
SD卡(secure digital memory card，安全數(shù)碼卡)是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。SD卡由日本松下、東芝及美國(guó)SanDisk公司于1999年8月共同開(kāi)發(fā)研制。大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2 g，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性。
本文正是通過(guò)AVR單片機(jī)經(jīng)過(guò)軟硬結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，來(lái)讀取SD卡上FAT32文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，F(xiàn)AT32是微軟公司開(kāi)發(fā)的新一代的文件系統(tǒng)，支持更大的存儲(chǔ)容量和長(zhǎng)達(dá)255個(gè)字符的文件名，也可以通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB接口芯片通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多渠道的立體的訪問(wèn)方式，進(jìn)一步提升了資源的利用率。

1 文件系統(tǒng)
1．1 FAT文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介
文件配置表(FAT)是一種由微軟公司發(fā)明的并帶有部分專(zhuān)利的文件系統(tǒng)，供MS-DOS使用，也是非NT內(nèi)核的微軟窗口使用的文件系統(tǒng)。FAT文件系統(tǒng)考慮當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)效能有限，所以未被復(fù)雜化，因而被幾乎所有個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)支持。這些特性使它成為理想的軟盤(pán)和記憶卡的文件系統(tǒng)。但FAT有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：當(dāng)文件被刪除并且在同一位置被寫(xiě)入新數(shù)據(jù)，他們的片段通常是分散的，減慢了讀寫(xiě)速度。磁盤(pán)碎片重整是一種解決方法，但必須經(jīng)常重組來(lái)保持FAT文件系統(tǒng)的效率。
1．2 FAT文件系統(tǒng)升級(jí)版
FAT32實(shí)際上是文件分區(qū)表采取的一種形式，它是相對(duì)于FATl6而言的。它可以大大地節(jié)約磁盤(pán)空間。文件在磁盤(pán)上是以簇的方式存放的，簇里存放了一個(gè)文件就不能再存放另外的文件。
FAT32最大的優(yōu)點(diǎn)是可以支持的磁盤(pán)大小達(dá)到2 TB(2 048 GB)，但是不能支持小于512 MB的分區(qū)。由于采用了更小的簇，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)可以更有效率地保存信息。FAT32可以更高效地使用空間。FAT32使用較小的簇(即，對(duì)于大小在8 GB以內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器，使用4 KB的簇)，這與大的FAT或FAT16驅(qū)動(dòng)器相比，可將磁盤(pán)空間的使用率提高10 9，6～15％。
FAT32更穩(wěn)定可靠。FAT32可以重新定位根文件夾，而且它使用文件分配表的備份副本，而不是使用默認(rèn)副本。此外，F(xiàn)AT32驅(qū)動(dòng)器上的引導(dǎo)記錄也得到擴(kuò)展，包括了關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的備份副本。因此，與現(xiàn)有的FAT16驅(qū)動(dòng)器相比，F(xiàn)AT32驅(qū)動(dòng)器不容易受單點(diǎn)故障的影響。
FAT32更靈活。FAT32驅(qū)動(dòng)器上的根文件夾是普通的簇鏈，因此它可以位于驅(qū)動(dòng)器上的任何位置。以前對(duì)根文件夾數(shù)量的限制不復(fù)存在。此外，可以禁用文件分配表鏡像，這樣就可以讓文件分配表的副本而不是讓第一個(gè)文件分配表處于活動(dòng)狀態(tài)。這些功能允許您動(dòng)態(tài)重調(diào)FAT32分區(qū)的大小。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 芯片概述
ATmega32是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega32 AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。
PL2303用于實(shí)現(xiàn)USB和標(biāo)準(zhǔn)RS 232串行端口之間的轉(zhuǎn)換，2個(gè)獨(dú)立的大型緩沖用于兩種總線的連接，大型數(shù)據(jù)緩沖器用于USB的批量數(shù)據(jù)傳輸，自動(dòng)握手模式可用于串行通訊，因而可以達(dá)到遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)UART控制器的波特率。PL2303支持USB電源管理和遠(yuǎn)程喚醒協(xié)議。本設(shè)計(jì)中PL2303芯片主要應(yīng)用在將主控單元的下載線與供電模塊合二為一，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。
NOKIA 5110液晶顯示器，傳統(tǒng)的點(diǎn)陣式液晶顯示器，不內(nèi)置英文及漢字字庫(kù)，因此NOKIA 5110液晶顯示的過(guò)程，需要單片機(jī)把從存儲(chǔ)器中讀取到的ASCII碼值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的英文及漢字點(diǎn)陣信息，然后通過(guò)串口把點(diǎn)陣信息傳輸?shù)揭壕э@示器上進(jìn)行顯示。
2．2 硬件設(shè)計(jì)
硬件單元包括：AVR主控ATmega32單元模塊，SD卡接口模塊，液晶顯示接口模塊，串口轉(zhuǎn)USB接口。
2．2．1 主控電路設(shè)計(jì)
主控電路(如圖1所示)主要負(fù)責(zé)將從輸入接口中讀到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的字模碼。

2．2．2 存儲(chǔ)系統(tǒng)模塊及下載接口設(shè)計(jì)
SD卡接口如圖2所示。
2．2．3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)
液晶顯示接口如圖3所示。