SD 卡实验

罗大富 BigRich大约 9 分钟ESP32Arduino

这节课我们学习如何使用 MicroPython 控制 SD 卡模块。

实验原理

SD卡（Secure Digital Card）是一种常见的可移动存储设备，用于存储和传输数据。它是一种闪存存储卡，具有较小的尺寸、高存储容量和可擦写的特性。

SD 卡具有以下主要特点：

  • 尺寸小：SD 卡采用了较小的尺寸，便于携带和使用。标准尺寸的 SD 卡尺寸为 32mm × 24mm × 2.1mm，而微型 SD 卡和迷你 SD 卡则更小。
  • 高存储容量：SD 卡的存储容量可以从几百兆字节到数百千兆字节不等。现代的 SD 卡通常具有较大的存储容量，可以满足各种数据存储需求。
  • 可擦写性：SD 卡可以被多次擦写和重新写入，使其非常适合存储和传输数据。用户可以根据需要将数据写入 SD 卡，并随时进行修改或删除。
  • 高速传输：SD 卡支持高速数据传输，以满足对快速读写速度的需求。不同类型的 SD 卡可能具有不同的传输速度标准，例如 SDSC、SDHC 和 SDXC 等。
  • 兼容性：SD 卡具有广泛的兼容性，可以在许多设备上使用，例如数字相机、移动电话、音频播放器、电脑等。通过适配器，SD 卡还可以与其他类型的存储设备接口兼容。

SD 卡通常用于存储照片、音频、视频、文档和其他文件。它们广泛应用于数码相机、移动设备、嵌入式系统和各种消费电子产品中。在使用 SD 卡时，需要注意保护数据的安全性和完整性，避免数据丢失或损坏。

把 SD 卡通过读卡器连接到电脑，右击 SD 卡选择 格式化 选项，之后，我们可以看到 文件系统 选项，如下图

SD 卡使用的文件系统是指在 SD 卡上组织和管理文件和文件夹的方法。常见的 SD 卡文件系统有 FAT16、FAT32 和 exFAT 等。

  • FAT16（File Allocation Table 16）：FAT16 是一种较早的文件系统，支持最大容量为 2GB 的存储设备。它使用 16 位的文件分配表来记录文件的存储位置和状态。FAT16 文件系统有一定的局限性，无法处理大容量存储设备和单个文件超过 2GB 的情况。
  • FAT32（File Allocation Table 32）：FAT32 是一种较为常见的文件系统，支持最大容量为 2TB 的存储设备。它采用 32 位的文件分配表，可以更有效地管理存储空间和文件索引。FAT32 文件系统被广泛用于移动存储设备、数码相机和其他消费电子设备。
  • exFAT（Extended File Allocation Table）：exFAT 是一种针对大容量存储设备设计的文件系统。它支持最大容量为 128PB 的存储设备和单个文件大小为 16EB 。exFAT 文件系统在支持大容量和大文件的同时，还具有较好的兼容性，可以在 Windows、Mac 和 Linux 等多个操作系统上使用。

SD 卡文件系统负责管理文件和目录的存储和访问。它使用文件分配表来记录文件的物理位置和状态，以及目录结构来组织文件和子目录。通过文件系统，用户可以方便地创建、读取、写入和删除文件，实现对存储设备中数据的管理和访问。

在使用 SD 卡时，需要选择适合的文件系统，根据存储设备的容量和应用需求进行设置。同时，还需要注意在使用过程中正确地操作文件系统，避免数据损坏和文件丢失的风险。

需要注意的是，在 SD 卡的文件系统选项中，存在 NTFS 选项，这个并不是 SD 卡的文件系统，如果你使用该选项格式化 SD 卡，会导致 SD 卡模块读取不到内容。

NTFS（New Technology File System） 是一种现代的文件系统，最早由微软引入并用于 Windows NT 操作系统及其后续版本。它具有许多先进的功能和优势，适用于处理大容量磁盘驱动器和大文件。

以下是 NTFS 的一些特点：

  • 支持大容量存储：NTFS 支持非常大的磁盘容量，可以处理多 TB 级别的存储设备。
  • 高性能：NTFS 采用了先进的索引结构和数据组织方式，具有快速读取和写入文件的能力，可以提供较高的数据访问性能。
  • 安全性：NTFS 支持文件和文件夹级别的访问控制，可以设置权限和加密保护，保障数据的安全性。
  • 容错能力：NTFS 具有容错和恢复功能，可以自动修复文件系统错误和数据损坏，并提供一致性和完整性保护。
  • 支持大文件：NTFS 支持单个文件的最大大小为 16EB（1EB = 1024PB），可以处理非常大的文件。
  • 支持文件压缩和加密：NTFS 提供了文件压缩和加密的功能，可以节省存储空间并保护敏感数据的安全性。

NTFS 是在 Windows 操作系统中广泛使用的文件系统，适合用于处理大容量存储和大文件的场景。它在性能、安全性和功能方面都有一定的优势，可以满足现代计算机系统对文件系统的要求。

接着我们来了解一下 SD 卡模块，SD 卡模块通过标准的 SPI 协议与单片机进行连接，如果我们采用双线或者三线 SPI 协议就无法实现全双工的数据读写功能。唯一需要注意的是 SD 卡模块的 VCC 接 5V 电源引脚。

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称数量
SD 卡模块1
SD 卡1
杜邦线(跳线)若干
面包板1

软件程序设计

在 Arduino 中对 SD 卡进行操作，可以使用 ESP32 自带的 SD 库。SD 库提供了一系列函数用于在 SD 卡上进行文件操作。下面是 SD 库中的一些常用函数的详细说明：

  1. SD.begin(uint8_t ssPin=SS, SPIClass &spi=SPI, uint32_t frequency=4000000, const char * mountpoint="/sd", uint8_t max_files=5, bool format_if_empty=false)：初始化 SD 卡。此函数用于初始化 SD 卡并启动 SPI 通信。使用硬件 SPI，参数可以不填，使用默认参数即可。例如：SD.begin()。
  2. open()：打开一个文件，并返回一个 File 对象，以便进行后续的文件操作。它接受两个参数，第一个是文件路径，第二个是文件打开模式。常见的打开模式包括 FILE_READ（只读）、FILE_WRITE（只写）、FILE_APPEND（追加写入）等。
  3. available()：检查文件是否可用（即是否已经打开），如果文件可用，则返回 true，否则返回 false。
  4. read()：读取文件内容，从文件中读取一个字节的数据，并返回读取到的数据。
  5. write()：写入文件内容。它接受一个参数，即要写入的数据。
  6. println()：写入一行数据。此函数与 write() 类似，但它会在写入数据后自动换行。
  7. close()：关闭文件，释放 SD 卡的资源，结束 SD 卡的使用。
  8. remove()：删除指定的文件。它接受一个参数，即要删除的文件路径。
  9. exists()：检查指定路径的文件是否存在。如果文件存在，则返回 true，否则返回 false。
  10. mkdir()：创建指定路径的目录。
  11. openNextFile()：打开 SD 卡中的下一个文件。返回一个 File 对象，表示打开的文件。如果没有更多文件可打开，则返回一个空的 File 对象。
  12. name()：获取打开文件的文件名。返回一个 char 类型的指针，指向文件名的字符串。
  13. isDirectory()：检查打开的文件是否是一个目录。如果文件是一个目录，则返回 true；否则返回 false。

这些函数可以帮助你在 SD 卡上进行文件操作。使用 openNextFile() 函数，你可以迭代打开 SD 卡中的每个文件。使用 name() 函数，你可以获取打开文件的文件名。使用 isDirectory() 函数，你可以判断文件是一个目录还是一个普通文件。这些函数的组合可以帮助你遍历 SD 卡上的文件，并执行相应的操作。

以上是 SD 库中的一些常用函数，你可以根据具体的应用需求选择适合的函数来进行 SD 卡上的文件操作。你可以参考 SD 库的官方文档和示例代码以了解更多函数和用法。

因此，我们对 SD 卡中的文件进行读写操作的代码可以这么写：

#include <SD.h>


// 初始化文件对象
File my_file;


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  if (!SD.begin()) {
    Serial.println("SD卡初始化失败");
    return;
  }

  Serial.println("SD卡初始化成功");

  // 读取文件列表
  list_files("/");

  // 创建一个新的文件并写入数据
  my_file = SD.open("/test.txt", FILE_WRITE); 

  if (my_file) {
    my_file.println("你好，SD 卡"); // 写入数据
    my_file.close(); // 关闭文件
    Serial.println("数据写入完成");
  } else {
    Serial.println("无法打开文件");
  }

  delay(1000);

  // 读取文件内容
  my_file = SD.open("/test.txt");
  while (my_file.available()) {
      Serial.write(my_file.read());
    }
  my_file.close();
  Serial.println("\n文件读取完成");

  delay(1000);

  // 修改文件内容
  my_file = SD.open("/test.txt", FILE_APPEND);
  my_file.println("修改文件");
  my_file.close();
  Serial.println("文件修改成功");

  delay(1000);

  // 读取文件内容
  Serial.println("读取文件内容");
  my_file = SD.open("/test.txt");
  while (my_file.available()) {
      Serial.write(my_file.read());
    }
  my_file.close();
  Serial.println("\n文件读取完成");

  delay(1000);

  // 删除文件
  if (SD.remove("/test.txt")) {
    Serial.println("文件删除成功");
  } else {
    Serial.println("文件删除失败");
  }

  // 读取文件列表
  list_files("/");
}

void loop() {
  // 在这里进行其他操作
}


// 读取文件列表
void list_files(const char* path) {
  Serial.println("文件列表：");

  File root = SD.open(path);

  File file = root.openNextFile();
  while (file) {
    if (file.isDirectory()) {
      Serial.print("目录：");
    } else {
      Serial.print("文件：");
    }
    Serial.println(file.name());

    file = root.openNextFile();
  }
  root.close();

}

为什么文件列表中存在 System Volume Information？

System Volume Information是 Windows 操作系统在存储设备上创建的隐藏文件夹，用于存储系统恢复信息和其他系统相关数据。当你在 Windows 中使用 SD 卡时，它会在 SD 卡的根目录下创建这个文件夹。

需要注意的是，使用 ESP32 自带的 SD 库时，在我们读取文件列表时，无法读取到中文名，因此，如果你想要读取到中文名的话，可以下载第三方库 SDFat。

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贡献者: Luo