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SDNAND贴片式TF/SD卡测试板问题解答

SD NAND-贴片式TF卡-贴片式SD卡-免费测试2025-03-1022

问题描述:我用的这个测试板,SD NAND焊上去之后,就可以测试了。 有个疑问: (1)这个走的是SD协议吗? (2)上面没有贴任何电阻,是不是上拉电阻不用贴也可以正常使用?上拉电阻的作用原本是什么呢?

问题解答:

(1)是否走SD协议?

  • SD NAND的本质:SD NAND 是一种将 NAND 闪存与 SD 控制器封装在一起的芯片,通常遵循 SD 协议(如 SD 2.0/3.0/4.0 规范)。它通过标准的 SD 接口(CLK、CMD、DAT0-3)与主控通信,行为类似 SD 卡。

  • 确认方法:需查阅芯片数据手册或测试板设计文档。如果芯片型号标称支持 SD 模式(如 SPI 模式或 1-bit/4-bit SD 模式),则明确走 SD 协议。


(2)上拉电阻是否需要?作用是什么?

为什么需要上拉电阻?

  • 电平稳定:SD 协议要求 CMD 和 DATA 线在空闲时保持高电平(上拉至 VCC),避免总线浮空导致信号不稳定。

  • 通信初始化:主控通过检测 CMD 线的高→低电平跳变判断设备插入(热插拔场景)。

  • 驱动能力:某些主控芯片(如 MCU)的 GPIO 驱动能力较弱,需外加上拉增强信号完整性。

能否省略上拉电阻?

  • 主控内置上拉:部分主控芯片(如某些 SoC)内部已集成可配置的上拉电阻,可通过软件启用,此时外部电阻可省略。

  • 板级设计优化:若走线极短、信号质量良好,且主控驱动能力强,可能无需外部上拉,但需实际测试验证。

  • 风险:若无上拉且主控不支持,可能导致以下问题:

    • 初始化失败(无法检测到 SD NAND)

    • 数据传输错误(如 CRC 校验失败)

    • 高负载时通信不稳定。

建议操作

  1. 检查主控手册:确认是否内置上拉电阻及配置方式。

  2. 示波器测试:观察 CMD/DATA 线空闲时是否为高电平。

  3. 补焊预留位:若测试异常,建议焊接 10kΩ~100kΩ 上拉电阻(参考 SD 规范)。


总结

  • 协议:SD NAND 通常走 SD 协议,需通过文档确认。

  • 上拉电阻:若主控无内置或信号不稳定,需补焊;否则可省略。建议预留焊盘以备调试。

关于 SPI 总线的疑问,以下是具体分析:


1. SPI 是否需要上拉电阻?与 SD 协议有何区别?

(1) SPI 总线的特点

  • 接口信号:SPI 总线包含 SCLK(时钟)、MOSI(主出从入)、MISO(主入从出)、CS(片选),通常为 单向主从通信

  • 电平驱动方式

    • 推挽输出(Push-Pull):主控和从设备默认采用推挽驱动,无需外接上拉电阻即可主动拉高或拉低电平。

    • 开漏输出(Open-Drain):若设备为开漏模式(如某些特定从设备),则需上拉电阻维持高电平(类似 I²C 总线)。

(2) 是否需要上拉电阻?

  • 常规情况
    若 SPI 设备使用 推挽输出(大多数现代 SPI 芯片),无需外接上拉电阻,总线电平由主从设备直接驱动。

  • 特殊情况

    • 如果从设备接口为 开漏模式(需查阅数据手册确认),必须外接上拉电阻(典型值 4.7kΩ~10kΩ)。

    • 若总线存在 多主设备热插拔 场景,需通过上拉电阻避免总线冲突。

(3) 与 SD 协议的关键区别

  • SD 协议:CMD/DATA 线在空闲时必须保持高电平(依赖上拉电阻),且协议层包含复杂的状态机。

  • SPI 协议:电平由主从设备主动驱动,空闲时 SCLK 电平由 CPOL 配置决定,MOSI/MISO 电平由设备自身状态决定,无需强制上拉(除非设计特殊需求)。


2. 能否通过软件设置总线初始状态为高电平?

(1) 软件配置的可能性

  • 主控 GPIO 模式

    • 若主控的 SPI 引脚配置为 推挽输出,可通过软件设置 GPIO 初始电平为高(例如初始化时先拉高 MOSI/SCLK)。

    • 若主控支持 内部弱上拉(部分 MCU 如 STM32),可启用内部上拉,无需外部电阻(但驱动能力较弱,长距离传输时仍需外部上拉)。

(2) 具体操作示例(以 STM32 为例)

// 初始化 SPI 前,先配置 GPIO 为高电平GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = MOSI_PIN | SCLK_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;  // 推挽输出GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 无上拉(或使用 GPIO_PULLUP 启用内部上拉)GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 拉高 MOSI 和 SCLKHAL_GPIO_WritePin(GPIOA, MOSI_PIN | SCLK_PIN, GPIO_PIN_SET);// 再切换为 SPI 功能模式GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;      // 复用推挽输出HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

(3) 注意事项

  • 从设备兼容性:某些从设备要求 CS 下降沿前 MOSI/SCLK 保持特定状态(如高电平),需严格遵循其时序要求。

  • 总线竞争风险:若多设备共享 SPI 总线,软件初始化时应确保所有 CS 线为高(未选中状态),避免数据冲突。


3. 总结与建议

  • SPI 与 SD 的差异

    • SPI 总线通常无需外接上拉电阻(推挽输出),而 SD 协议依赖上拉电阻维持高电平。

    • SPI 的空闲电平由 CPOL 配置和设备驱动能力决定,灵活性更高。

  • 软件配置高电平

    • 可以通过初始化 GPIO 为推挽输出并拉高电平实现,但需在切换至 SPI 功能模式前完成。

    • 若从设备对初始电平敏感,需结合其数据手册调整配置。

  • 验证方法

    • 用示波器观察 SPI 总线初始化阶段的电平状态。

    • 若通信不稳定(如数据错位),尝试增加外部上拉电阻(4.7kΩ~10kΩ)或启用内部上拉。

(1)SD NAND与SPI通信设计

关键问题

  • SPI通信要求:SD卡在SPI模式下需要正确的时钟极性和相位(通常CPOL=0, CPHA=0),以及初始化序列(如CMD0、CMD8等)。

  • 上拉电阻需求:SD卡规范要求CMD和DATA线在SPI模式下需上拉(通常4.7kΩ~10kΩ),但用户希望避免漏电流。

解决方案

  1. 利用内部上拉电阻

    • 若微控制器(MCU)支持可配置内部上拉,启用GPIO的内部上拉(注意:内部上拉阻值较大,可能导致信号延迟,需降低SPI速率)。

    • 代码示例(STM32)

      GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;HAL_SPI_Init(&hspi);
  2. 动态控制外部上拉电阻

    • 将上拉电阻连接至MOS管(如PMOS)的源极,MOS管漏极接VCC,栅极由MCU GPIO控制。

    • SD卡断电时,GPIO关闭MOS管,切断上拉电阻电源,消除漏电流。

    • 使用MOS管控制外部上拉电阻的电源,仅在SD卡工作时供电,休眠时断电。

    • 电路设计

  3. 验证信号完整性

    • 若省略上拉电阻,需测试SPI通信稳定性(尤其在高速模式下),必要时降低时钟频率(如≤1MHz)。


(2)GPIO控制电源输入与漏电流优化

关键问题

  • 断电需求:休眠时需彻底切断外设电源,避免上拉电阻导致漏电流。

  • 电路隔离:确保断电后外设与MCU之间无电流路径。

解决方案

  1. PMOS电源开关设计

    PMOS电源开关电路

    • 选择低阈值电压PMOS(如AO3401,Vgs_th≈-1V),确保GPIO高电平(如3.3V)可完全关断。

    • 栅极-源极并联电阻(如100kΩ)确保PMOS默认关断。

    • PMOS源极接主电源(VCC),漏极接负载(SD卡),栅极通过电阻连接至MCU GPIO。

    • GPIO输出低电平时导通PMOS;输出高电平或高阻态时关断。

    • 电路原理

    • 器件选型

  2. 避免上拉电阻漏电流

    • 休眠前将控制GPIO设为推挽输出模式并输出高电平,避免内部上拉/下拉引入电流。

    • GPIO配置

    • 代码示例

      HAL_GPIO_WritePin(PWR_CTRL_GPIO_Port, PWR_CTRL_Pin, GPIO_PIN_SET);GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  3. 反向供电防护

    • 在SD卡的电源路径串联肖特基二极管(如BAT54S),防止断电时通过IO引脚反向供电。


整合设计注意事项

  1. 时序控制

    • 断电前需通过CMD0使SD卡进入空闲状态,避免数据损坏。

  2. 唤醒流程

    • 唤醒时先恢复电源,延迟10ms后重新初始化SD卡。

  3. PCB布局

    • 电源开关靠近SD卡放置,减小电流环路面积,降低噪声。


总结

  • SD NAND SPI通信:优先使用MCU内部上拉,必要时通过MOS管动态控制外部上拉电源。

  • 电源控制:PMOS开关+推挽输出GPIO实现零漏电流断电,结合二极管防止反向供电。

  • 验证:通过示波器检查SPI信号完整性,并测量休眠时SD卡电源电流(应接近0μA)。

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