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[導(dǎo)讀]介紹了多媒體卡MMC的工作原理、MMC的串行外設(shè)接口協(xié)議模式及在大容量便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用,最后給出了PIC16F73B微處理器與MMC的接口設(shè)計(jì)。

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)測到的信號,但往往只能在固定的位置使用,在野外和移動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),往往需要長時(shí)間地采集、記錄海量數(shù)據(jù),需要體積小、重量輕、存儲容量大的數(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,使信號采集存儲系統(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SANDISK公司和德國西門子公司在1997年共同開發(fā)研制的一種多功能、體積小、容量大的快閃存儲卡。MMC的發(fā)展目標(biāo)主要是針對移動電話、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還具備存儲區(qū)糾錯能力和低功耗特性,如果5ms內(nèi)沒接收到系統(tǒng)控制命令字,MMC則會自動轉(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)平臺和通訊介質(zhì),其存儲容量可達(dá)2GB。MMC的接口設(shè)計(jì)非常簡單,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)存儲檢索、糾錯碼算法、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(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,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)答信號格式
所有MMC的命令字長度均為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。


對于MMC的命令,MMC有多種應(yīng)答信號格式,且應(yīng)答信號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)答信號格式:即R1、R2、R3、Busy和R1b。
通常,MMC接收到每個(gè)命令字后,都會發(fā)送一個(gè)格式為R1的應(yīng)答信號(卡狀態(tài)查詢命令字CMD13除外),此應(yīng)答信號為1字節(jié),最高位為0,其他位為錯誤標(biāo)志位,如表3所示。

 


Busy格式應(yīng)答信號的長度為多個(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)答信號的長度為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)表示的是錯誤類型,如表4所示。

 


R3格式應(yīng)答信號的長度為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存儲單元前,需要首先設(shè)定訪問塊的長度,系統(tǒng)默認(rèn)訪問塊的長度為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MMC主存的讀取。以下是嵌入式系統(tǒng)對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;jMmc_write_block(&sdc,519+(file_tag.StartCluster-2),mmc_buffer);
}
采用嵌入式系統(tǒng)芯片PIC16F73B與MMC搭建信號采集的硬件平臺,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].SANDISK CORPORATION,2002.
[2] 孫方,顏國正,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).

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