摘要：本文提出了一種基于單片機，SD卡和濕度傳感器的濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，并將其應用于森林濕度監(jiān)測系統(tǒng)實例中，該方案不僅簡便易行，成本低廉，而且具有實際應用價值。同時，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作方便，具有較高的性價比，適于在實際中應用?，F(xiàn)就基于SPCE061A單片機，SD卡和濕度傳感器的濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計方案介紹如下。

　　一、系統(tǒng)方案介紹

　　系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。其中，單片機采用凌陽公司的SPCE061A.該單片機內(nèi)部結(jié)構框圖如圖2所示，相關說明見表1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 SPCE061A結(jié)構

表1 結(jié)構圖說明

　　1.系統(tǒng)方案設計

　　應用SPCE061A讀寫SD卡，首先要尋找它們之間的通信方案。SD模式是SD卡的標準讀寫方式，選用此模式需要選擇帶SD卡控制接口的MCU或者額外的SD卡控制單元；SPI模式通過SPI總線完成SD卡與主控制器的通信。SPCE061A沒有集成SD卡控制器，為了減少額外的SD卡控制單元硬件成本，本方案采用SPI模式進行二者之間的通訊。另外，SPCE061A沒有集成化的SPI接口模塊，因此要用軟件進行SPI接口時序的模擬。

　　SD卡的邏輯電平相當于3.3V的TTL電平標準，而SPCE061A通過跳線的設置完全可以提供該工作電壓，因此不需要增加額外的電平匹配電路。

　　2.濕度傳感器選擇

　　鑒于森林中溫度和濕度的變化較大，系統(tǒng)中的濕敏電阻選用耐高溫高壓且特性穩(wěn)定的MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器。

　　二、系統(tǒng)硬件連接

　　1.SPCE061A單片機和SD卡的連接

　　凌陽公司提供專門的SD卡配套模組，因此單片機和SD卡的連接較為方便。

　　（1） SD卡接口規(guī)范。

　　SD卡工作在2.7~3.6V電壓下，其普通SD卡的結(jié)構示意圖如圖3所示，表2列出了各引腳在SPI模式下的定義和功能描述。主機與SD卡之間通過指令來實現(xiàn)交互。

圖3 SD卡結(jié)構示意圖

表2 SPI模式下SD卡引腳定義

　?。?） 接口電路設計示意圖（見圖4）。

圖4 SD卡與單片機連接示意圖。

　　2.SPCE061A與濕度傳感器的連接

　?。?）濕敏傳感器。

　　大多數(shù)濕度傳感器A-A端為測量電極，B-B端為加熱清洗電極，如圖5所示。加熱清洗電極通電后， 內(nèi)部電加熱絲產(chǎn)生熱量可排除傳感器感濕層中的水分子。

圖5 濕敏傳感器

　?。?）單片機與傳感器連接示意圖（見圖6）。

圖6 單片機和傳感器的連接

　　三、軟件設計

　　1. FAT文件系統(tǒng)

　　FAT16文件系統(tǒng)的存儲結(jié)構如圖7所示。

圖7 FAT文件系統(tǒng)結(jié)構

　　主引導記錄區(qū)（MBR,Main Boot Record）位于物理磁盤第零扇區(qū)。MBR中有硬盤分區(qū)記錄表DPT（Disk Partition Table），DPT記錄了各邏輯分區(qū)的相對偏移。SD卡不支持多分區(qū)，在一個SD卡中只有一個分區(qū)，因此在SD卡上的DPT只有一個分區(qū)表項被占用。系統(tǒng)引導記錄區(qū)（DBR,DOS Boot Record）位于磁盤邏輯分區(qū)的第零扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可以訪問的個扇區(qū)。它其中包含一個稱為BPB（Bios Parameter Block）的本分區(qū)參數(shù)記錄表。BPB記錄著本分區(qū)的根目錄大小、FAT個數(shù)、磁盤介質(zhì)描述、分配單元大小等重要參數(shù)。

　　DBR之后是FAT（File Allocation Table）文件分配記錄表，記錄文件在磁盤上的存儲位置。在Windows系統(tǒng)中，文件存儲的單位是簇而不是字節(jié)，一個文件并不是連續(xù)地存放于磁盤的某一區(qū)域，而往往是分成若干段，像鏈子一樣存放。FAT表記錄了每個文件的起始簇號、后繼簇號和終止簇號。FAT表中的每個表項對應數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的一個簇，由于FAT表對文件管理的重要性，F(xiàn)AT表有一個備份。

　　DIR是根目錄區(qū)，緊接著第二個FAT表（FAT2）之后，記錄著根目錄下每個文件的起始簇號、大小等屬性。操作系統(tǒng)根據(jù)DIR中文件的起始簇號和大小，結(jié)合FAT表來定位文件。

　　FAT16 文件系統(tǒng)中一個文件的存儲示意圖如圖8所示。

圖8 文件存儲示意圖

　　2.SD卡指令規(guī)范

　　單片機通過相應指令與SD卡進行交互，SD卡有特定的指令格式。所有的SD卡指令都是6字節(jié)長，有效位（MSB）傳輸優(yōu)先。SD卡特定指令格式如圖9所示。

圖9 SD卡指令格式

　　SD卡指令的兩位"01"是SD卡指令的開始標志，一位"1"是結(jié)束標志。6位的指令是SD卡的指令序號，例如CMD17的6位指令即17的二進制表示"010001".指令參數(shù)占4個字節(jié)，具體內(nèi)容參照SD卡規(guī)范。7位CRC校檢的生成多項式為G（x） = x^7 + x^3 + 1.事實上SD卡在進入SPI模式后，SD卡不再通過CRC碼來確認指令的傳輸正確與否，指令中的7為CRC校檢只在SD模式下起作用。因此僅是SD卡上電后的條切換SPI模式指令CMD0需要校檢碼，而此校檢碼是固定的0x95,其他指令的CRC均置"1"即可。

　　SD卡響應有四種格式，不同指令對應不同響應，具體內(nèi)容可參看SD卡規(guī)范。

　　3.SD卡讀寫驅(qū)動

　?。?）SPI時序模擬。

　　用軟件來模擬SPI總線的具體方法是：將SCK的初始狀態(tài)置"0",允許接收后（即CS置"0"）將SCK置"1",這樣單片機由DI線輸出一位數(shù)據(jù)到SD卡；接著再將SCK置"0",單片機由DO線從SD卡讀到一位數(shù)據(jù)。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便完成。此后再將SCK置"1",依次循環(huán)8次，完成SPI總線1個字節(jié)數(shù)據(jù)的輸入輸出。

　　以下是本系統(tǒng)軟件模擬SPI時序的部分C語言代碼：

　?。?）SD卡的初始化。

　　SD卡的初始化流程圖，如圖10所示。SD卡上電延時74個時鐘周期后，單片機向SD卡發(fā)送復位命令CMD0使SD卡進入SPI模式，之后循環(huán)發(fā)送激活SD卡指令CMD1直到接收到SD卡響應的第0位為"0".

圖10 SD卡初始化流程

　　（3）SD卡數(shù)據(jù)塊的讀寫。

　　完成SD卡的初始化后，就可以對SD卡進行讀寫操作。讀寫操作都是通過指令來完成的：單塊寫命令CMD24,多塊寫命令CMD25;單塊讀命令CMD17,多塊讀命令CMD18.單塊讀寫時，數(shù)據(jù)塊的長度為512字節(jié)，多塊讀寫時SD卡收到一個停止命令CMD12后停止讀寫。圖11和圖12分別是SD卡單塊讀、寫的SPI時序圖，圖13和圖14分別是單塊讀、寫SD卡的軟件流程圖。

圖11 單塊讀時序圖

圖12 單塊寫時序圖

圖13 讀SD卡流程圖

圖14 FAT16文件讀寫流程圖

　　4. FAT16 文件讀寫

　　按照FAT16 文件系統(tǒng)的文件組織規(guī)范，編寫讀文件函數(shù)和寫文件函數(shù)。FAT16 文件讀寫的軟件流程圖如圖15 所示。

圖15 FAT16 文件讀寫流程圖

　　5.濕度傳感器的軟件設計

　　濕度傳感器的測量電極端與SPCE061A 的I/O 口相連，以傳輸數(shù)據(jù)，其部分初始化程序如下：