公開日：2020/09/05

12th Season

#12-6　DUEにSDカードI/Fを接続する

　これまでATmega328系のUNO等をメインで使って、色々な周辺モジュールを制御してきたのですが、中には、先輩方の作ったライブラリを使わせてもらって制御してきたモジュールも多々ありました。
　TFTシールドの様に、自前で必要な関数群を作って制御した物に関しては、自分でDUE用にコードを書きかえれば済む話(例えば「#12-1　DUE＋TFTシールド」)だったのですが、先輩方の作ったライブラリを使っていたモジュールに関してはどうでしょうか？

　SDカードI/Fもそんな中の一例です。今回は、DUEにSDカードI/Fを接続して、SDライブラリな等がすんなり使える物かどうか、試してみたいと思います。

SDカードI/Fを接続しよう

　筆者は手作りのSDカードピッチ変換ソケット(下図)を使います。作り方については「#6-5　microSDカードI/Fを自作する」をご覧ください。



※作るのが面倒な方は、市販のSDカードI/Fモジュール(SPI接続のもの)でもOKです。ただし、UNO用に市販されているものは、インターフェイスが5V I/Oになっている場合があるので、注意してください。

　SDカードは3.3Vインターフェイスの機器なので、5VのUNOではL/Sが必要でした。デフォルトで4MHzという高速なSPI通信が必要なため、L/Sの速度が足りず、途中でインターフェイス回路の対策を実施しています(「#9-6　SDカードI/F回路の改定」を参照)。
　DUEはSDカードと同じ3.3V I/Oの機体ですので、L/S無しで接続することが可能です(以下接続表)。

　後ほどリンクするプログラムは、UNO，STM32にも対応してあるため、改めてSTM32との接続端子も記載しておきました。UNOとの接続にはL/Sが要るので、こちらの回路図をご確認ください。また、DUEのSS端子は、TFTシールドを装着した場合に使えなくなるピンソケットを避け、2列ピンソケットの中からD24を選択しています。

　DUEがやってきた時に作ったこちらの表を見ても、SPIに割り当てられたD74〜D76という端子は載っていません。基板周辺部に配置されたピンソケットのみを表に起こしたためです。DUEのSPI端子は、ICSPピンヘッダに引き出されています(下図)。



　UNOのICSPピンヘッダと互換になっているので、ここの電源端子＝5Vです。3.3Vではないので、SDカードI/FのVdd端子に繋いではいけません。SDカードへは、DUEの3.3Vピンソケットから給電してください。

　上の表と図を頼りに、DUEとSDカードI/Fを接続してください🔌。

制御プログラム

　UNOを使ったSDカード上のファイル操作プログラムは、「#6-6　ポータブル気温・湿度ロガ」で作ったポータブルロガ(portbl_logger.ino)に集約されています。時々、SDカード上のファイルを操作・閲覧したい時に使いたくなるのですが、起動すると自動的に気温・湿度データを計測してログを書き込みに行ってしまうため、SDカードの閲覧には使い難いプログラムでした。
　これを機に、portbl_logger.inoのSDカード操作機能だけを抽出して、新たにSDファイラ(sd_filer.ino)を作ろうと思います。以下、portbl_logger.inoに実装してあった機能を包含して、SDファイラのコマンド目標仕様とします。

• dir[,<dir_name>]
• ls[,<dir_name>]
• ディレクトリ<dir_name>以下のファイルをリスト表示します。
• <dir_name>が省略されると、ルートディレクトリ"/"が指定されたものとみなします。
• サブディレクトリが見つかると、その1階層下のファイルまで表示します。
• cat,<file_name>
• テキストファイル<file_name>の内容を表示します。
• シリアルモニタ(Serial)へリダイレクトするだけなので、バイナリデータなどの場合、文字化けします。
• 改行コードがCR＋LF以外のファイルでは改行が正しく処理されません。
• more,<file_name>
• テキストファイル<file_name>の内容を表示します。
• 16行表示する度に、サブコマンドを受け付けるプロンプトメッセージを表示します。
• サブコマンド仕様：
• "q"：　Quit、表示を中断します。
• "n"：　Next、次の16行を表示します。
• "h"：　Head、先頭に戻って表示します。
• "b"：　Burst、プロンプトの表示を回避して、最後まで表示します。
• サブコマンドは大文字小文字を区別します。
• シリアルモニタから、「サブコマンド＋改行」で送信するので、複数文字を送信しても、最初の1文字だけをサブコマンドとして判定します。
• 未定義のサブコマンドを検出した場合は"n"(Next)と同じ動作となります。
• dump,<file_name>
• バイナリファイル<file_name>の内容を表示します。
• 16行(＝256バイト)表示する度に、サブコマンドを受け付けるプロンプトメッセージを表示します。
• サブコマンド仕様は【more】コマンドと同じです。
• copy,<source>,<destination>
• cp,<source>,<destination>
• ファイル<source>をファイル<destination>へコピーします。
• <source>が見つからなかったり、<destination>が既に存在していると、エラーとなります。
• del,<file_name>
• rm,<file_name>
• ファイル<file_name>を削除します。
• mkdir,<dir_name>
• ディレクトリ<dir_name>を作成します。
• <dir_name>に"AAA/BBB/CCC"を指定すると、"AAA"、"BBB"、"CCC"の3つのディレクトリが各階層に作成されます。
• rmdir,<dir_name>
• ディレクトリ<dir_name>を削除します。
• ディレクトリ<dir_name>が空でない場合は、削除できず、エラーとなります。
• mount[,<clock_mhz>]
• SDカードを使用可能な様に、SDライブラリを初期化します。
• <clock_mhz>は、SPI通信に使用するクロック周波数をMHz単位で指定します。
• SDライブラリから呼び出されるSPIライブラリは、指定されたクロック周波数の内輪で、最速のクロックを自動的に選択して、使用します。
• ATmega328のSPIユニットは、最速で8MHz(＝fcpu/2)のクロックで通信ができます。
• umount
• SDカードを取り外し可能な様に、SDライブラリを停止します。
• SDカードを別なカードに差し替える場合には、【umount】コマンドを実行してから差し替えてください。
• xsend,<file_name>
• SDカード上のファイル<file_name>をXMODEMで送信します。
• 受信側の通信ソフトウェアがXMODEMに対応している必要があります(Tera Term等)。
• xrecv,<file_name>
• XMODEMで受信したデータをSDカード上のファイル<file_name>に書き込みます。
• ファイル<file_name>が、既に存在しているとエラーとなります。
• 送信側の通信ソフトウェアがXMODEMに対応している必要があります(Tera Term等)。
• who
• help

動くかな？

　元のプログラム(portbl_logger.ino)から該当箇所を抜き出して、追加機能を実装するだけでしたので、あっさりとコンパイルは通ってしまいました。完成版プログラムをリンクしておきます。

　　完成プログラム：sd_filer.ino

　さて、動くでしょうか？以下、実験中の様子です。



　　実験サンプル：【 】内はシリアルモニタからの送信データ
　　【dir】
　　OK+ dir /
　　SYSTEM~1/
　　　　INDEXE~1　　　　76
　　A.WAV　　　　217468
　　A.TXT　　　　951
　　OK: dir

　SDカード内のファイル一覧を表示できました。良い様です（１＾−＾）。素晴らしい。


　全機能と、追加した機能をざっと確認しておきました(↓)。

　　実験サンプル：【 】内はシリアルモニタからの送信データ
　　【dump,a.wav】
　　00000000: 52 49 46 46 74 51 03 00 57 41 56 45 66 6d 74 20 RIFFtQ..WAVEfmt
　　00000010: 10 00 00 00 01 00 01 00 2b 24 00 00 2b 24 00 00 ........+$..+$..
　　00000020: 01 00 08 00 64 61 74 61 50 51 03 00 80 80 80 80 ....dataPQ......
　　00000030: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　00000040: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　00000050: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　00000060: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　00000070: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　00000080: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　00000090: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　000000a0: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　000000b0: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　000000c0: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　000000d0: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　000000e0: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　000000f0: 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80 ................
　　---- (n)ext / (q)uit / (h)ead / (b)urst > Quit
　　　　【q】　……　(q)uitコマンドを送信
　　OK: dump

　　【more,a.txt】
　　　　：　表示結果は省略。
　　　　：　　・ファイル(a.txt)の内容が16行毎に表示される。
　　　　：　　・サブコマンドが受け付けられた。
　　OK: more

　これで、SDカードアクセスに関してはUNOと同様にプログラムして実行できることが判りました。

アクセス速度計測

　「#6-8　ATmegaのEEPROMを使ってみる」で作ったプログラム(test_eeprom.ino)をDUE用に少しだけ改造して使い、SDカードへのアクセス速度も測定しておこうと思います。

　　計測用プログラム：test_eeprom.ino

　参照記事のタイトルも、プログラム名も、「ん？合ってる？」って、なりますが、この回でEEPROMのみならず、SDカードのアクセス速度測定も実施していますので、合っています(不揮発メモリつながり！)。
　シリアルモニタから実行可能なコマンドについては、こちらをご覧ください。

　　実験サンプル：【 】内はシリアルモニタからの送信データ
　　【bench】
　　OK+ SD benchmark 32[KB]: WR.
　　OK+ check sum: 0x0(write), 0x0(read)
　　OK+ write: 32768[B], 403.58[ms], 81192.31[B/s]
　　OK+ read: 32768[B], 317.04[ms], 103354.74[B/s]
　　OK: benchmark finished

　以前ベンチマークテストに使っていた2GバイトのSDカードが壊れてしまったため、新たに16GバイトのSDカード(クラス4)を用い、UNO，DUE，STM32でデータを取り直したので、以下にまとめておきます。

　UNO @16MHzに対して、DUE @84MHz、STM32 @72MHzですので、MCUの周波数比程の向上は見られませんが、やはりDUEとSTM32は速いです。


　SDライブラリが何の問題もなく動いてしまいました。同一仕様で作られたSPIライブラリが吸収してくれたようです。過去にUNO＋SDカードを使ったアプリケーションもいくつか作ってきているのですが、必要があればDUEに移植するのも容易だと思われます。