SD 卡与其他 SPI 设备共享 SPI 总线

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SD 卡支持 SPI 模式,使其能够作为 SPI 设备通信,但使用时需注意其限制。

其他设备的管脚负载

向同一总线添加设备会增加管脚的整体负载,包括交流负载(管脚电容)和直流负载(上拉电阻)。

交流负载

在通信速率不超过 50 MHz 的情况下,专为高速通信设计的 SD 卡采用小型管脚电容(交流负载小)。但在同一 SPI 总线上连接其他设备后,会增加管脚的交流负载。

管脚交流负载过高时,可能无法实现电平快速切换。通过使用示波器,你可以观察到管脚状态变化的边缘变得更加平滑,即边缘变化率更低。当 SD 卡连接到交流负载较高的总线时,可能无法满足 SD 卡建立时间 (setup) 的时序要求。高交流负载甚至可能导致 SD 卡和其他 SPI 设备无法正确解析主机发出的时钟信号,影响通信稳定性。

如果连接的其他设备的工作频率与 SD 卡工作频率不同,上述问题可能会更加明显。这是因为其他设备可能具有更大的管脚电容。管脚容量越大,响应时间越长,SD 总线可工作的最高频率越低。

你可以尝试以下测试,判断管脚交流负载是否过重:

术语

  • 启动边沿 (launch edge):数据开始切换的时钟边沿;

  • 锁存边沿 (latch edge):数据接收侧应进行数据采样的时钟边沿,对 SD 卡来说是上升沿。

  1. 使用示波器观察时钟,并比较数据线与时钟。

    • 如果时钟不够快,例如上升/下降沿长于时钟周期的 1/4,表明时钟偏斜过大。

    • 如果在时钟锁存边沿之前数据线不稳定,表明数据线负载过大。

    借助逻辑分析仪,也可以观察到数据与时钟启动沿相比,延迟较大。但比起用示波器,用逻辑分析仪观察到的现象可能不太明显。

  2. 尝试使用较低的时钟频率。

    如果设备可以在较低的通信频率下正常工作,而在较高的通信频率下出现问题,说明管脚交流负载过大。

如果管脚的交流负载过大,你可以选择使用其他管脚负载更低但通信速度更快的设备,或降低时钟速度。

直流负载

SD 卡所需的上拉电阻通常在 10 kΩ 至 50 kΩ 之间,注意对某些 SPI 设备来说,这可能是过强的上拉电阻。

请查阅设备的规格说明书,了解其直流输出电流。此直流输出电流应大于 700 μA,否则可能无法正确读取设备输出。

初始化顺序

备注

如果在执行以下步骤时遇到任何问题,请首先确保时序正确。如前文所述,你可以尝试降低时钟速度,例如将 SD 卡的 SDMMC_FREQ_PROBING 设置为 400 kHz,排除管脚交流负载的影响。

在同一 SPI 总线上与其他 SPI 设备一起使用 SD 卡时,由于 SD 卡启动流程的限制,应遵循以下初始化顺序。有关详情,请参阅 storage/sd_card

  1. 通过 spi_bus_initialize() 正确初始化总线。

  2. 将除 SD 卡外所有设备的 CS 线置为空闲状态(默认为高电平),避免在后续步骤中与 SD 卡发生冲突。

    这可以通过以下任一方式实现:

    1. 调用 spi_bus_add_device() 将设备连接到 SPI 总线,该函数将初始化用作 CS 的 GPIO 管脚到空闲电平:默认为高电平。

    2. 在添加新设备前,初始化需要拉高的 CS 管脚 GPIO。

    3. 在 ESP 的 GPIO 未初始化前,依靠内部/外部上拉电阻拉高所有 CS 管脚(不推荐)。请确保上拉电阻拥有足够强度,且没有其他下拉电阻影响拉高。例如,应启用内部下拉电阻。

  3. 调用 esp_vfs_fat_sdspi_mount() 将卡挂载到文件系统。

    此步骤将使 SD 卡进入 SPI 模式,应该 在同一总线上的所有其他 SPI 通信前完成。否则,SD 卡会保持在 SD 模式,即使在未选中其 CS 线的情况下,SD 卡也可能随机响应总线上的任何 SPI 通信。

    如果你想测试这种行为,请注意,一旦 SD 卡置于 SPI 模式,在下次上电前,也就是断电后重新上电之前,SD 卡将不会返回 SD 模式

  4. 此时,即可与其他 SPI 设备自由通信。