【STM32系统】基于STM32设计的SD卡数据读取与上位机显示系统（SDIO接口驱动、雷龙SD卡）

　　基于STM32设计的SD卡数据读取与上位机显示系统

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　　基于STM32设计的SD卡数据读取与上位机显示系统

　　简介：本研究的主要目的是基于STM32F103微控制器，设计一个能够读取SD卡数据并显示到上位机的系统。SD卡的数据扇区读取不仅是为了验证存储设备的性能，还为了提高嵌入式系统的数据处理与存储能力。通过SDIO接口实现与SD卡的高速通信，并将存储在SD卡上的数据通过串口传输至上位机，能够实现数据的显示与分析。SD卡采用的是雷龙的一款SD卡型号为CSNP4GCR01-AMW工业级SD卡（SD NAND-雷龙发展有限公司 (longsto.com)）。

　　此外，本项目的实现将为嵌入式系统与大容量存储设备之间的通信提供参考，为未来在物联网、大数据采集、工业监测等领域的应用提供技术积累。

　　目录

　　1. 引言

　　1.1 研究背景

　　1.2 研究目的

　　1.3 研究内容概述

　　2. 系统概述

　　2.1 STM32微控制器简介

　　2.2 SD卡概述

　　2.3 SDIO接口简介

　　3. 硬件设计

　　3.1 STM32硬件设计

　　3.2 SD卡接口设计

　　4. 软件设计

　　4.1 SDIO接口详细设计

　　4.1.1 SD卡初始化

　　4.1.2 数据传输模式

　　4.2 软件设计流程

　　4.2.1 SD卡初始化代码实现

　　4.2.2 数据读取与写入代码实现

　　4.2.3 DMA模式下的读写操作

　　5. 系统实现

　　5.1 系统架构

　　5.2 硬件连接与调试

　　6. 实验与测试

　　6.1 实验方案设计

　　6.2 实验过程

　　6.2.1 SD卡初始化测试

　　6.2.2 SD卡读写速度测试

　　6.2.3 数据完整性测试

　　6.2.4 系统稳定性测试

　　6.2.5 电源管理测试

　　6.3 实验结果分析

　　7. 总结与展望

　　7.1 研究总结

　　7.2 存在问题与改进方向

　　7.3 未来工作展望

　　1. 引言

　　1.1 研究背景

　　随着嵌入式系统的发展，数据存储和数据传输在工业和日常应用中变得越来越重要。尤其在工业自动化、物联网（IoT）以及智能家居等领域中，系统不仅需要实时采集大量的传感器数据，还需要将数据进行高效的存储和传输，以便进行后续处理与分析。在这种背景下，采用性能稳定、成本较低的嵌入式微控制器和存储设备成为一个合理的选择。

　　在嵌入式系统中，SD卡凭借其大容量、高可靠性和可移除性，已经成为一种常见的存储设备。尤其是工业级SD卡（如CSNP4GCR01-AMW），由于其支持广泛的工作温度范围、抗震能力强，并具有内置纠错功能，成为在恶劣环境下数据存储的首选。而在嵌入式系统中，使用STM32微控制器与SD卡进行数据交互并通过SDIO（Secure Digital Input Output）接口进行高速数据传输，是一个具有广泛应用前景的解决方案。

　　本研究旨在设计一个基于STM32的系统，能够实现SD卡的数据读取，并通过上位机显示相关数据。通过对系统硬件设计、SDIO接口通信以及软件架构进行详细阐述，展示该系统的设计过程和关键技术。

　　1.2 研究目的

　　本研究的主要目的是基于STM32F103微控制器，设计一个能够读取SD卡数据并显示到上位机的系统。SD卡的数据读取不仅是为了验证存储设备的性能，还为了提高嵌入式系统的数据处理与存储能力。通过SDIO接口实现与SD卡的高速通信，并将存储在SD卡上的数据传输至上位机，能够实现数据的远程显示与分析。

　　此外，本项目的实现将为嵌入式系统与大容量存储设备之间的通信提供参考，为未来在物联网、大数据采集、工业监测等领域的应用提供技术积累。

　　1.3 研究内容概述

　　本文的研究内容包括硬件设计、软件开发、SD卡读写流程、以及数据在上位机的显示。具体而言，使用STM32F103微控制器通过SDIO接口与CSNP4GCR01-AMW工业级SD卡进行通信，实现SD卡的初始化、数据读取和数据存储。随后，将读取的数据传输至上位机进行显示和分析。为实现这一目标，本文将重点探讨以下几个技术要点：

　　STM32与SD卡的硬件接口设计；

　　SDIO接口的配置与通信协议实现；

　　SD卡的读写操作以及数据完整性校验；

　　上位机显示的实现。

　　通过上述研究，将展示嵌入式系统中如何实现高效、可靠的SD卡数据读取与显示功能。

　　2. 系统概述

　　2.1 STM32微控制器简介

　　STM32系列微控制器是STMicroelectronics公司推出的一种基于ARM Cortex-M核心的32位嵌入式处理器，广泛应用于工业控制、消费电子、物联网等领域。STM32F103系列属于STM32家族中的F1系列，具有高性能、低功耗的特点。它集成了丰富的外设接口，如I2C、SPI、USART、USB等，特别是支持SDIO接口，使其非常适合应用于需要与SD卡进行高速通信的场景中。

　　STM32F103的核心采用了Cortex-M3架构，能够在72MHz的主频下工作，并拥有64KB至128KB的片上闪存和20KB的SRAM，适合处理大量数据的传输与存储操作。在本项目中，选用STM32F103微控制器不仅因为其具备强大的外设支持，还因为其丰富的开发生态，使得开发者能够快速实现复杂的系统功能。

　　在硬件设计中，STM32F103通过SDIO接口与SD卡进行通信，该接口能够支持高达50MHz的时钟频率，数据传输速率最高可达25MB/s。通过使用该接口，系统能够实现对SD卡的高速读写操作，并在传输过程中保持数据的完整性。

　　2.2 SD卡概述

　　SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种常见的闪存存储设备，广泛应用于数码相机、智能手机、嵌入式系统等各种需要数据存储的设备中。与传统的EEPROM和NOR闪存相比，SD卡具备更大的存储容量、更快的读写速度，并且价格相对较低，因此在嵌入式应用中被广泛使用。

　　CSNP4GCR01-AMW是一款工业级SD卡，具有4GB的存储容量，支持SD 2.0协议标准。它具有较强的纠错能力，即使在非正常断电的情况下，也能够保证数据的完整性。此外，CSNP4GCR01-AMW能够在-40℃至+85℃的工作环境中稳定运行，适合在恶劣环境中使用，如工业自动化设备或户外监控设备。

　　该SD卡支持标准的SDIO接口，默认时钟频率为25MHz，在高速模式下可以达到50MHz，从而使得数据传输速率能够达到25MB/s。在本项目中，选择CSNP4GCR01-AMW作为存储设备的原因是其良好的工业适用性、稳定性以及较高的数据传输效率。

　　2.3 SDIO接口简介

　　SDIO接口是SD卡标准中的一个扩展接口，它不仅支持存储卡的读写操作，还可以通过该接口扩展其他外设功能。SDIO接口的优点在于其传输速度较快，尤其在4位数据线模式下，能够显著提高数据传输效率。

　　在STM32F103中，SDIO控制器能够通过1位或4位数据线与SD卡进行通信，支持高速（50MHz）和标准（25MHz）模式。在系统设计中，SD卡的读写操作通过SDIO命令进行控制，如初始化命令CMD0、获取卡状态的命令CMD13、数据读写命令CMD17和CMD24等。

　　SDIO的初始化过程较为复杂，首先需要通过发送CMD0命令复位SD卡，随后通过发送ACMD41命令检测SD卡的电压范围和容量。在确认SD卡已经准备好后，系统会进入数据传输模式，通过CMD17命令进行单块数据的读取，或通过CMD24命令进行单块数据的写入。整个过程需要根据SD卡的响应进行实时的调整，以确保数据传输的正确性和稳定性。

　　3. 硬件设计

　　3.1 STM32硬件设计

　　在本项目中，STM32F103与SD卡通过SDIO接口连接，具体的硬件连接需要确保信号完整性和电源稳定性。在STM32的硬件设计中，以下几点是设计的关键：

　　SD卡与STM32的连接：

　　SD卡通过8个引脚与STM32相连，包括电源引脚（VCC、VSS）、命令引脚（CMD）、时钟引脚（SCLK）以及数据引脚（D0-D3）。在硬件设计中，必须保证SD卡的电源稳定，VCC电压通常为3.3V，VSS为地。在实际电路设计中，需要在VCC与地之间接入一个电容，以过滤电源噪声，确保SD卡能够在高速传输过程中保持稳定。

　　SDIO接口的电路设计：

　　SDIO接口的时钟频率较高，在高速模式下可以达到50MHz，因此对信号完整性有较高要求。在设计中，必须在命令线和数据线之间加入适当的电阻，以防止反射信号对数据传输的干扰。此外，PCB设计中需要尽量减少信号线的长度，确保信号传输的时延保持在合理范围内。

　　电源管理设计：

　　STM32F103在不同的工作模式下对电源有不同的要求。在设计中，需要确保电源能够提供足够的电流，以支持SD卡的高速读写操作。此外，为了降低系统功耗，STM32的休眠模式和低功耗模式也应被合理使用，在不需要进行数据传输时，可以关闭部分外设电源，进入低功耗模式。

　　3.2 SD卡接口设计

　　在SD卡接口设计中，主要需要解决的是SD卡与STM32之间的高速数据传输问题。通过SDIO接口，STM32能够与SD卡进行全双工通信，但这需要确保以下几个方面的设计合理：

　　信号时钟的设置：

　　SD卡的时钟频率决定了数据传输的速度。初始时，SD卡以400kHz的时钟频率启动，并在初始化完成后，系统将时钟频率提升至25MHz或50MHz。在电路设计中，时钟信号的完整性是决定数据传输速率和可靠性的关键。因此，必须采用适当的滤波器和阻抗匹配，以减少时钟信号的抖动。

　　数据传输模式的选择：

　　SD卡支持1位和4位两种数据传输模式。在1位模式下，数据通过一根数据线进行串行传输，而在4位模式下，数据并行传输，速度更快。在本项目中，采用4位模式进行数据传输，以提高系统的数据传输速率。

　　SD卡的初始化与检测：

　　SD卡的初始化过程需要遵循SD协议规范，系统首先通过发送CMD0命令复位SD卡，随后通过ACMD41命令检测SD卡的电压范围和存储容量。在初始化过程中，系统需要持续发送命令，直到SD卡准备好为止。

　　4. 软件设计

　　4.1 SDIO接口详细设计

　　在本系统中，使用了STM32F103微控制器的SDIO接口与CSNP4GCR01-AMW工业级SD卡进行通信。SDIO接口是一种用于SD卡数据传输的标准接口，它不仅支持存储卡的读写操作，还可以通过SDIO接口扩展其他外设功能。在本项目中，SDIO接口的使用涵盖了从SD卡的初始化、数据传输模式的切换、到数据的读取与写入的整个过程。

　　4.1.1 SD卡初始化

　　在系统启动时，首先需要对SD卡进行初始化操作，以确保后续数据读写过程的顺利进行。SD卡的初始化包括以下几个步骤：

　　发送CMD0命令复位SD卡：

　　系统启动后，首先通过发送CMD0命令，将SD卡置于初始状态。CMD0命令是所有SD卡操作的起点，它将SD卡置为待机状态，使其能够接收后续的命令。

　　发送ACMD41命令检测电压范围：

　　复位完成后，系统通过发送ACMD41命令来检测SD卡的电压范围。该命令用于让SD卡告知主控设备其支持的电压范围以及容量状态。在此过程中，系统需要不断发送ACMD41命令，直到SD卡的忙碌位被清除，表示SD卡已经准备好进入数据传输模式。

　　设置总线宽度：

　　完成初始化后，系统需要设置SD卡的总线宽度。在本系统中，使用了SD卡的4位模式，该模式下数据通过4条数据线进行并行传输，能够显著提高数据传输速率。总线宽度的设置通过发送CMD55命令来完成，该命令能够使SD卡进入“应用特定命令”模式，然后通过ACMD6命令设置总线宽度为4位(CSNP4GCR01-AMW (V1.3)工业级)。

　　设置时钟频率：

　　SDIO接口支持两种时钟模式：默认模式和高速模式。默认模式下的时钟频率为25MHz，高速模式下的时钟频率为50MHz。为了保证数据传输的稳定性，在SD卡初始化时，系统首先使用较低的时钟频率进行通信（通常为400kHz），然后在初始化完成后，将时钟频率提升至25MHz或50MHz。

　　4.1.2 数据传输模式

　　在完成SD卡的初始化之后，系统进入数据传输模式。在此模式下，STM32通过SDIO接口与SD卡进行数据的读写操作，使用不同的命令控制数据的传输方向与模式。

　　读取数据：

　　在数据传输模式下，使用CMD17命令读取SD卡中的单个数据块。CMD17命令的作用是读取SD卡中指定扇区的数据，并将其传输到主控设备。具体操作过程如下：

　　系统首先向SD卡发送CMD17命令，并指定要读取的扇区地址。

　　SD卡接收到命令后，会将相应的数据块传输到SDIO接口，通过数据线发送至STM32的内部存储器。

　　系统通过检查CRC校验码来判断数据是否传输正确。如果CRC校验失败，系统将重新发送CMD17命令进行读取，直到数据正确为止。

　　写入数据：

　　类似于数据读取操作，数据写入操作则使用CMD24命令进行。CMD24命令用于将主控设备中的数据写入SD卡的指定扇区。具体操作步骤为：

　　系统通过CMD24命令指定写入的扇区地址和要写入的数据块。

　　SD卡接收到数据后，会执行写操作，并将数据存储在指定的扇区中。

　　在写操作完成后，系统需要进行CRC校验，以确保数据写入的完整性。如果CRC校验失败，系统将重新尝试写操作。

　　DMA模式：

　　为了提高数据传输的效率，本项目中还采用了DMA（Direct Memory Access）模式。通过使用DMA，系统可以在后台自动完成大块数据的传输，而无需占用CPU的资源。DMA模式能够极大地提升系统的数据处理能力，特别是在进行大规模数据读写时，能够显著降低系统的响应时间。

　　4.2 软件设计流程

　　在本系统的软件设计中，使用了STM32 HAL库来简化硬件控制的复杂度。HAL库提供了与硬件外设的高级接口，使开发者可以通过API调用来完成复杂的硬件控制。在本项目中，SD卡的初始化、读写操作以及数据存储的实现，均通过HAL库中的SDIO和DMA接口来完成。

　　4.2.1 SD卡初始化代码实现

　　以下是SD卡初始化的主要代码：

HAL_SD_CardStateTypedef SDCard_Init(void)

{

    HAL_SD_CardInfoTypedef SDCardInfo;

    // 初始化SD卡

    if(HAL_SD_Init(&SDCardInfo) != HAL_OK)

    {

        // 初始化失败，返回错误状态

        return HAL_SD_ERROR;

    }

    // 配置SDIO总线宽度为4位模式

    if(HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&SDCardInfo, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)

    {

        // 总线配置失败

        return HAL_SD_ERROR;

    }

    // 配置时钟频率为高速模式

    HAL_SD_SetClockFreq(&SDCardInfo, SDIO_CLOCK_HIGH_SPEED);

    return HAL_SD_OK;

}

　　在该代码中，HAL_SD_Init函数用于完成SD卡的初始化操作，包括电压检测、CMD命令发送等。HAL_SD_ConfigWideBusOperation函数则用于配置总线宽度，确保系统能够在4位模式下进行数据传输。最后，HAL_SD_SetClockFreq函数用于设置SD卡的时钟频率至高速模式。

　　4.2.2 数据读取与写入代码实现

　　对于数据读取与写入操作，系统分别使用了HAL_SD_ReadBlocks和HAL_SD_WriteBlocks函数来实现单个数据块的读写操作。

　　以下是数据读取的主要代码：

HAL_StatusTypeDef SDCard_Read(uint32_t *pData, uint32_t BlockAddr, uint32_t NumOfBlocks)

{

    HAL_SD_CardStateTypedef cardState;

    // 读取数据块

    cardState = HAL_SD_ReadBlocks(&hSD, pData, BlockAddr, NumOfBlocks, HAL_MAX_DELAY);

    if(cardState != HAL_SD_OK)

    {

        // 读取失败，返回错误状态

        return HAL_ERROR;

    }

    // 校验数据完整性

    if(HAL_SD_CheckReadOperation(&hSD, HAL_MAX_DELAY) != HAL_SD_OK)

    {

        return HAL_ERROR;

    }

    return HAL_OK;

}

　　此函数中，HAL_SD_ReadBlocks用于从SD卡的指定扇区读取数据，并存储到pData指针指定的内存区域。读取完成后，HAL_SD_CheckReadOperation函数用于检查读取操作是否成功。如果读取过程中发生错误，系统将返回错误状态。

　　类似地，写入数据的代码如下：

HAL_StatusTypeDef SDCard_Write(uint32_t *pData, uint32_t BlockAddr, uint32_t NumOfBlocks)

{

    HAL_SD_CardStateTypedef cardState;

    // 写入数据块

    cardState = HAL_SD_WriteBlocks(&hSD, pData, BlockAddr, NumOfBlocks, HAL_MAX_DELAY);

    if(cardState != HAL_SD_OK)

    {

        // 写入失败，返回错误状态

        return HAL_ERROR;

    }

    // 校验写入操作是否成功

    if(HAL_SD_CheckWriteOperation(&hSD, HAL_MAX_DELAY) != HAL_SD_OK)

    {

        return HAL_ERROR;

    }

    return HAL_OK;

}

　　该函数通过HAL_SD_WriteBlocks将数据写入SD卡的指定扇区，并通过HAL_SD_CheckWriteOperation校验写入操作是否成功完成。

　　4.2.3 DMA模式下的读写操作

　　在数据传输量较大的情况下，使用DMA模式能够显著提升数据传输效率。DMA模式下，数据传输可以在后台进行，CPU资源得以解放，系统响应时间也大幅缩短。

　　以下是DMA模式下的读写操作代码：

HAL_StatusTypeDef SDCard_DMA_Read(uint32_t *pData, uint32_t BlockAddr, uint32_t NumOfBlocks)

{

    HAL_StatusTypeDef status;

    // 使用DMA进行数据读取

    status = HAL_SD_ReadBlocks_DMA(&hSD, pData, BlockAddr, NumOfBlocks);

    if(status != HAL_OK)

    {

        // DMA读取失败

        return HAL_ERROR;

    }

    // 等待读取操作完成

    HAL_SD_DMA_ReadCompleteCallback(&hSD);

    return HAL_OK;

}

　　此函数使用HAL_SD_ReadBlocks_DMA启动DMA数据读取操作，并通过回调函数HAL_SD_DMA_ReadCompleteCallback确认数据读取完成。类似的，DMA模式下的数据写入操作也可以通过类似的方法实现。

　　5. 系统实现

　　5.1 系统架构