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介紹了多媒體卡MMC的工作原理、MMC的串行外設接口協(xié)議模式及在大容量便攜式數據采集系統中的應用，最后給出了PIC16F73B微處理器與MMC的接口設計。 目前比較常見(jiàn)的數據采集及處理系統是功能完備的微機系統。這種系統雖然能較快地分析和處理監測到的信號，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。特別是野外數據采集作業(yè)，往往需要長(cháng)時(shí)間地采集、記錄海量數據，需要體積小、重量輕、存儲容量大的數據采集及處理儀器。近幾年，隨著(zhù)非易失存儲技術(shù)的發(fā)展以及處理器（如嵌入式系統和DSP）性能的不斷提高，使信號采集存儲系統的耗電量和體積不斷減小，滿(mǎn)足了便攜式的要求，但其讀寫(xiě)速度不及MMC。多媒體卡MMC（Multimedia Card）是由美國SANDISK公司和德國西門(mén)子公司在1997年共同開(kāi)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)展目標主要是針對移動(dòng)電話(huà)、數碼相機、數碼攝像機、MP3音樂(lè )、PDA、電子書(shū)、玩具等產(chǎn)品。 MMC在一定程度上改善了CF卡讀寫(xiě)速度較慢的缺點(diǎn)，并且其體積輕巧、抗沖擊性強、可反復讀寫(xiě)30萬(wàn)次左右。MMC4.0的標準提供了更寬的數據帶寬和更快的傳輸速率，并支持雙電壓操作模式。MMC還具備存儲區糾錯能力和低功耗特性，如果5ms內沒(méi)接收到系統控制命令字，MMC則會(huì )自動(dòng)轉入休眠狀態(tài)，同時(shí)它還支持熱拔插操作。由此可見(jiàn)，將MMC應用于大容量便攜式數據采集系統是一種很好的選擇。 1 MMC的結構及工作原理 1.1 MMC的管腳及功能 MMC常被設計為一種低成本的數據平臺和通訊介質(zhì)，其存儲容量可達2GB。MMC的接口設計非常簡(jiǎn)單，如圖1所示。它采用7針接口，低成本的串行總線(xiàn)，時(shí)鐘頻率可達20MHz。MMC的操作電壓為2.7～3.6V，讀/寫(xiě)電流也只有23mA和27mA。MMC最小數據傳送單位是塊，塊的大小缺省值定義為512B。MMC的讀寫(xiě)模式包括流式模式、多塊模式和單塊模式等。 MMC讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)的高性能三線(xiàn)制通信協(xié)議，可尋址64 000張MMC多媒體卡，支持順序讀/寫(xiě)操作、單/多數據塊讀/寫(xiě)操作。表1是MMC使用SPI協(xié)議時(shí)的管腳定義。 1.2 MMC的內部邏輯結構及功能 MMC的內部邏輯結構可分為四部分：SPI/MMC通信協(xié)議接口、單芯片控制器、數據閃存模塊、控制線(xiàn)和數據線(xiàn)。SPI/MMC接口實(shí)現與主控制器的通信，單芯片控制器完成接口協(xié)議、數據存儲檢索、糾錯碼算法、故障判斷處理、電源管理和時(shí)鐘控制等功能。數據閃存模塊實(shí)現整個(gè)存儲區空間的單字節訪(fǎng)問(wèn)，控制線(xiàn)和數據線(xiàn)實(shí)現單芯片控制器與數據閃存模塊的訪(fǎng)問(wèn)及數據傳輸。 1.3 SPI/MMC通信協(xié)議 MMC協(xié)議是MMC默認的通信協(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)議強大，但是SPI協(xié)議簡(jiǎn)單易用、兼容性好、便于和單片機連接使用，且可以把設計費用減到最小。SPI協(xié)議主要應用于MMC需要數量不大并且數據傳輸率要求不太高的系統。 MMC通電后，會(huì )以默認方式進(jìn)入MMC協(xié)議模式；如果要轉入SPI協(xié)議模式，則需要進(jìn)行相應的協(xié)議模式切換；如果要從SPI協(xié)議模式轉入MMC協(xié)議模式，只要切斷電源后重新通電，系統即能以默認方式進(jìn)入。本設計采用SPI通信協(xié)議模式。 1.4 MMC的文件系統 MMC的文件格式定義并不包括在系統規范內。為了提高資料的互換性，MMC定義了三種基本的文件系統，其中除了不帶分區的DOS-FAT文件系統和類(lèi)似硬盤(pán)帶分區的文件系統外，開(kāi)發(fā)者還可以定義自己獨特的文件系統。這些定義使得MMC同樣具有廣泛的操作系統平臺(如DOS系統、Windows系統及Linux系統等)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(xiàn)，用來(lái)同外部設備進(jìn)行通信，字長(cháng)為8位。SPI接口利用CLK、DataIn、 DataOut三線(xiàn)進(jìn)行數據的讀寫(xiě)操作。其中，CLK為時(shí)鐘信號，由外部控制器提供；DataIn和DataOut為數據輸入和輸出線(xiàn)。是MMC的片選信號線(xiàn)，在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，必須始終保持低電平有效。 2.2 MMC命令的CRC校驗 為了確保數據存儲的準確性，MMC在數據處理時(shí)均采用CRC校驗字。MMC的CRC校驗分為CRC7和CRC16兩種。CRC7幾乎適合于MMC的所有命令（只是應答信號格式為R3的除外），CRC7的算法表達式為：G(x)=x7+x3+1。而CRC16用于數據塊傳輸模式的保護處理，它的算法表達式為：G(x)=x16+x12+x5+1。 2.3 MMC命令的應答信號格式 所有MMC的命令字長(cháng)度均為6個(gè)字節，傳輸從高位開(kāi)始，且包含一個(gè)CRC校驗字。命令字的格式如表2所示。 對于MMC的命令，MMC有多種應答信號格式，且應答信號的傳輸方向也是從高位開(kāi)始。在SPI協(xié)議模式下，有5種應答信號格式：即R1、R2、R3、Busy和R1b。 通常，MMC接收到每個(gè)命令字后，都會(huì )發(fā)送一個(gè)格式為R1的應答信號（卡狀態(tài)查詢(xún)命令字CMD13除外），此應答信號為1字節，最高位為0，其他位為錯誤標志位，如表3所示。 Busy格式應答信號的長(cháng)度為多個(gè)字節。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)準備好接收下一個(gè)命令。 R2格式應答信號的長(cháng)度為2個(gè)字節，用于答復卡狀態(tài)查詢(xún)命令字CMD13，首字節同R1，第2字節表示的是錯誤類(lèi)型，如表4所示。 R3格式應答信號的長(cháng)度為5個(gè)字節，用于答復卡內OCR寄存器，R3的首字節同R1，其余4字節為OCR寄存器的內容。 R1b格式應答信號包括兩部分：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MMC系統的基本設定、數據塊讀、數據塊寫(xiě)、擦除、寫(xiě)保護和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定命令之一。它主要通過(guò)命令SEND_CSD(CMD9)讀取MMC的信息，然后與進(jìn)入系統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)和超出卡的限定數量，從而確定該卡是否已進(jìn)入系統。堆棧的檢查管理命令流程圖如圖2所示。 4 MMC與嵌入式系統芯片組成的大容量便攜式數據采集器的接口 4.1 MMC與嵌入式芯片的硬件接口設計 圖3是MMC與嵌入式系統芯片PIC16F73B的硬件接口。圖中，FM24CL64為緩存芯片，采用Port C的硬件SPI接口對MMC卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 4.2 MMC與嵌入式芯片的軟件接口設計 MMC與嵌入式芯片接口的部分軟件流程如圖4所示。 在訪(fǎng)問(wèn)MMC存儲單元前，需要首先設定訪(fǎng)問(wèn)塊的長(cháng)度，系統默認訪(fǎng)問(wèn)塊的長(cháng)度為512字節，通過(guò)寫(xiě)緩存芯片FM24CL64完成。當寫(xiě)入的數據達到512個(gè)字節時(shí)即轉入MMC主存，故讀寫(xiě)長(cháng)度不需要再重新設定。MMC格式化為FAT文件系統結構后，數據以文件的形式保存，這樣可方便上位機對MMC主存的讀取。以下是嵌入式系統對MMC卡寫(xiě)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。在系統軟件實(shí)現上，可以采用交替式雙緩存機制，將采集到的數據先存入數據緩沖區(圖3中的FM24CL64)中。當數據緩沖區寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)發(fā)出溢出中斷，再對MMC進(jìn)行突發(fā)式寫(xiě)操作。當寫(xiě)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。這樣在數據采集系統工作的大部分時(shí)間內，MMC處于休眠狀態(tài)，工作電流很低。該系統適于野外(如地質(zhì)、石油等部門(mén))的數據采集與存儲工作，數據文件可以在Windows環(huán)境下用讀卡器讀取，方便了數據的進(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)。 |
