SD-карта и логгер данных на Arduino

У Arduino Uno две тысячи байт оперативной памяти и килобайт EEPROM. Этого хватает на настройки, но не на журнал измерений: температура раз в минуту за сутки — это уже больше, чем плата может удержать. Карта microSD решает вопрос радикально: гигабайты, обычные файлы и возможность вынуть карту и открыть журнал в Excel. Платить за это приходится памятью — и как раз про эту цену обычно не пишут.

Куда вообще можно писать

Правило простое: то, что меняется каждую секунду, EEPROM убьёт — у неё около ста тысяч перезаписей на ячейку, и при записи раз в секунду это меньше полутора суток. Карта такого ограничения не знает: в ней есть свой контроллер, который сам раскидывает записи по микросхеме. Подробнее про память платы — в статье «Память Arduino: флеш, ОЗУ и EEPROM».

Четыре провода и питание

Карта разговаривает по шине SPI: такт (SCK), «плата говорит» (MOSI), «карта отвечает» (MISO) и выбор устройства (CS). Первые три жёстко привязаны к железу платы и сменить их нельзя, а вот номер CS вы назначаете сами — это обычный вывод, который скетч дёргает вниз перед разговором. Отсюда и первое правило отладки: если карта не находится, меняйте местами MOSI и MISO, а не всё подряд.

Второе, что стоит понять сразу: сама карта питается от 3,3 В, пятивольтовые уровни для неё смертельны. Поэтому на модуле стоят две детали — стабилизатор на 3,3 В и буфер, который пересчитывает уровни. Стабилизатору нужен запас по напряжению: у ходового AMS1117 паспортное падение около 1,2 В, гарантированное — не больше 1,3 В. Отсюда неочевидное следствие, на котором спотыкаются все, кто переходит с Uno на ESP: модуль нельзя питать от вывода 3,3 В — карте достанется около двух вольт, и она просто не ответит. Модулю нужен вывод 5 В, даже если сама плата трёхвольтовая.

В карточке нашего SPI-адаптера карт microSD — 176 ₽ так и написано: питание 4,5…5,5 В, ток 0,2…200 мА, уровни сигналов 3,3 или 5 В, карты до 32 ГБ. Есть и модуль под полноразмерную карту SD — 126 ₽, но у него в паспорте карты только до 2 ГБ и только FAT16 — для журнала этого хватит, для чего-то большего берите первый. Двести миллиампер — это не опечатка: в момент записи карта берёт заметно больше, чем в покое, и на слабом питании появляется самая обидная неисправность — «от компьютера пишет, от батарейки нет».

Первый запуск: карта на месте?

Начинать нужно не с логгера, а с проверки. Этот скетч ищет карту, пишет в файл строку и тут же читает её обратно — если в мониторе появился размер файла и текст, дальше можно ничего не бояться. Библиотека SD уже встроена в Trema IDE, ставить ничего не нужно.

#include <SPI.h>
#include <SD.h>

// Вывод выбора карты (CS). На Uno, Nano и Pro Mini — 10, на Mega — 53,
// на готовых шилдах часто 4. Остальные три провода менять нельзя:
// они жёстко привязаны к аппаратному SPI платы.
const int PIN_CS = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  Serial.println("Ищем карту...");
  if (!SD.begin(PIN_CS)) {
    Serial.println("Карта не найдена.");
    Serial.println("Проверьте: питание 5 В, четыре провода, номер вывода CS,");
    Serial.println("формат карты FAT16 или FAT32 (exFAT библиотека не читает).");
    return;
  }
  Serial.println("Карта на месте.");

  // Пишем строку и тут же читаем её обратно — это и есть проверка.
  File f = SD.open("TEST.TXT", FILE_WRITE);
  if (!f) {
    Serial.println("Файл не открылся: проверьте имя (8 символов, точка, 3).");
    return;
  }
  f.println("proverka");
  f.close();

  f = SD.open("TEST.TXT");
  Serial.print("Размер файла, байт: ");
  Serial.println(f.size());
  while (f.available()) {
    Serial.write(f.read());
  }
  f.close();
}

void loop() {
}

Скорость шины библиотека выбирает сама и довольно осторожно: знакомство с картой идёт на 250 кГц, а рабочая скорость — 4 МГц, то есть четверть тактовой частоты Uno. Если хочется быстрее (и провода короткие), у SD.begin есть форма с двумя аргументами: сначала частота, потом вывод CS.

Формат карты: FAT32 и ничего другого

Библиотека читает только FAT16 и FAT32 — так исторически устроены все простые файловые системы для микроконтроллеров. Проверка в коде буквальная: если в загрузочном секторе не написано «512 байт на сектор», том считается неподходящим и SD.begin возвращает ложь. Именно в это упирается самая частая история «купил карту на 64 ГБ — плата её не видит»: все карты от 64 ГБ приходят с завода в формате exFAT, а это как раз другой загрузочный сектор.

Что делать: отформатировать карту в FAT32 или, что проще и надёжнее, взять карту не больше 32 ГБ — для журнала измерений это несопоставимо много (строка в CSV весит десятки байт, гигабайта хватит на годы записи раз в секунду). Тип тома, кстати, определяется не объёмом карты, а числом кластеров: меньше 4 085 — FAT12, меньше 65 525 — FAT16, больше — FAT32.

Имя файла: восемь символов, точка, три

Это не прихоть библиотеки, а формат коротких имён из времён DOS. Внутри есть функция, которая превращает ваше имя в одиннадцать байт записи каталога, и она отвергает всё, что не помещается: больше восьми символов до точки, вторую точку, пробел, кириллицу и полтора десятка служебных знаков. Строчные буквы она молча переводит в заглавные — поэтому log.csv и LOG.CSV для карты один и тот же файл.

Коварство в том, что никакой ошибки не будет. Скетч соберётся, карта найдётся, а SD.open просто вернёт «файл не открылся» — и человек ищет проблему в проводах, хотя дело в имени izmereniya.csv.

Сколько памяти на это уходит

Вот главная цена, о которой стоит знать заранее. Библиотека держит в оперативной памяти буфер целого блока карты — 512 байт, четверть всей памяти Uno. Плюс структуры открытого файла, плюс ваши переменные. Мы собрали скетчи из этой статьи и посмотрели, что показывает компилятор:

Две строки здесь стоит перечитать. Первая: проверочный скетч съедает больше логгера — и виноваты не карта и не библиотека, а длинные русские подсказки. Каждая строка в кавычках при старте копируется в оперативную память; если обернуть их в F(), расход падает с 1 249 до 847 байт, то есть возвращается пятая часть всей памяти платы. Вторая: библиотека SdFat экономит немного ОЗУ, но занимает почти вдвое больше флеша — она умеет длинные имена и exFAT, и за это надо платить.

Практический вывод: логгер на Uno — это уже тесно. Если в проекте кроме карты будет дисплей и пара датчиков, берите плату с запасом памяти (Mega, ESP32) или считайте байты. Что происходит, когда памяти не хватает, разобрано в статье про память: плата не выдаёт ошибку, она просто начинает вести себя странно.

Логгер: пишем таблицу для Excel

Обычный формат журнала — CSV: одна строка на измерение, столбцы через разделитель. Мы берём точку с запятой, потому что русский Excel считает запятую дробной частью числа и всю строку укладывает в одну ячейку.

#include <SPI.h>
#include <SD.h>

const int PIN_CS = 10;
const int PIN_SENSOR = A0;
const unsigned long PERIOD = 2000;   // как часто писать строку, мс

// Имя строго по правилу 8.3: заглавные буквы, без пробелов и кириллицы.
const char FILE_NAME[] = "LOG.CSV";

unsigned long lastWrite = 0;
bool cardOk = false;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  cardOk = SD.begin(PIN_CS);
  if (!cardOk) {
    Serial.println("Карты нет — пишу только в монитор.");
    return;
  }

  // Заголовок таблицы пишем один раз, если файла ещё не было.
  // Разделитель — точка с запятой: так русский Excel сразу разложит
  // строку по столбцам, а запятая останется дробной частью.
  if (!SD.exists(FILE_NAME)) {
    File f = SD.open(FILE_NAME, FILE_WRITE);
    if (f) {
      f.println("sec;raw;volt");
      f.close();
    }
  }
}

void loop() {
  if (millis() - lastWrite < PERIOD) {
    return;
  }
  lastWrite = millis();

  int raw = analogRead(PIN_SENSOR);
  float volt = raw * 5.0 / 1024.0;

  Serial.print(millis() / 1000);
  Serial.print(" c, ");
  Serial.print(volt, 2);
  Serial.println(" В");

  if (!cardOk) {
    return;
  }

  // Открыли, дописали строку, закрыли. Закрытие — обязательная часть:
  // пока файл открыт, последняя порция лежит в памяти платы, а не на карте.
  File f = SD.open(FILE_NAME, FILE_WRITE);
  if (!f) {
    Serial.println("Файл не открылся.");
    return;
  }
  f.print(millis() / 1000);
  f.print(';');
  f.print(raw);
  f.print(';');
  f.println(volt, 3);
  f.close();
}

Три вещи в этом скетче важнее остальных.

Файл открывается и закрывается на каждую запись. Так медленнее, зато после каждой строки данные уже на карте. Пока файл открыт, последняя порция лежит в буфере платы, и выдернутое питание её уносит. Если пишете часто и вам дорога скорость — оставляйте файл открытым, но вызывайте flush хотя бы раз в несколько секунд.

Заголовок пишется один раз. Проверка SD.exists нужна, потому что FILE_WRITE у этой библиотеки означает «дописать в конец», а не «создать заново». Файл после перезагрузки платы продолжится, а не обнулится — это удобно, но про это забывают и потом удивляются, откуда в таблице десять заголовков.

Время в журнале — от millis. Это секунды с момента включения, а не время суток: после перезагрузки счёт начнётся заново. Как только журнал должен ложиться на календарь, нужны часы с батарейкой — про них есть отдельная статья «Часы реального времени». Плата с часами и картой — это и есть классический логгер.

Прочитать файл и посмотреть, что на карте

#include <SPI.h>
#include <SD.h>

const int PIN_CS = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  if (!SD.begin(PIN_CS)) {
    Serial.println("Карта не найдена.");
    return;
  }

  // Второй аргумент не нужен: без него файл открывается на чтение.
  File f = SD.open("LOG.CSV");
  if (!f) {
    Serial.println("Файла LOG.CSV на карте нет.");
    return;
  }

  Serial.print("Размер, байт: ");
  Serial.println(f.size());
  while (f.available()) {
    Serial.write(f.read());
  }
  f.close();

  // Что ещё лежит на карте — просто список имён в корне.
  File dir = SD.open("/");
  while (true) {
    File item = dir.openNextFile();
    if (!item) {
      break;
    }
    Serial.print(item.name());
    Serial.print("  ");
    Serial.println(item.size());
    item.close();
  }
  dir.close();
}

void loop() {
}

Тот же SD.open без второго аргумента открывает файл на чтение, а openNextFile перебирает содержимое папки. Обратите внимание на Serial.write вместо print: мы отдаём в монитор байты как есть, ничего не превращая в текст.

Когда на шине не одна карта

SPI рассчитана на несколько устройств: общие такт и данные, а выбор — своим проводом к каждому. На практике это место, где ломается больше всего проектов.

Во-первых, у плат AVR есть особый вывод — 10 на Uno, 53 на Mega. Если сделать его входом и притянуть к земле, контроллер решит, что он сам стал ведомым, и шина замолчит. Библиотека это знает и на всякий случай объявляет вывод выходом при старте, но если вы потом отдадите его кнопке — получите загадочное молчание карты.

Во-вторых, у части дешёвых адаптеров линия ответа не освобождается после снятия выбора: карта продолжает держать провод, и соседнее устройство на той же шине не может ответить. Проверяется просто: отключите модуль карты — если сосед ожил, дело в этом. Лечится адаптером с честным буфером или разнесением устройств на разные выводы.

Если у вас ESP: карта не всегда нужна

У ESP8266 и ESP32 флеш-памяти на плате гораздо больше, чем нужно скетчу, и часть её можно отдать под файлы. Тогда никаких проводов вообще не нужно.

Выбор между ними простой. Настройки, страницы веб-сервера, небольшой журнал — LittleFS, и никаких модулей. Многочасовая запись, звук, картинки или желание вынуть носитель и отнести к компьютеру — карта. SPIFFS сегодня брать не стоит: в ядре ESP8266 её служебные символы уже помечены как устаревшие, папок она не понимает, а LittleFS делает то же самое лучше.

Что делать, если не работает

И общий совет напоследок: проверяйте карту на компьютере перед тем, как искать беду в схеме. Карты из старых телефонов часто уже переписаны до предела и ведут себя непредсказуемо — читаются, но не пишут. Чистая карта на 8—16 ГБ, отформатированная в FAT32, снимает половину вопросов ещё до начала.

Частые вопросы

Читайте также

• Адресные светодиоды WS2812B: лента, кольцо, модульОдин провод на всю цепочку, 30 мкс на светодиод и до 60 мА на каждый: почему лента просит больше, чем плата способна дать.
• DHT11 и DHT22: температура и влажностьЧем DHT22 лучше DHT11, куда девать третью ножку, зачем резистор 10 кОм и почему датчик отвечает nan.
• HC-SR04: ультразвуковой дальномерКак модуль меряет расстояние звуком, скетч без библиотек в 20 строк и почему на морозе он завышает.
• DS18B20: термометр на шине 1-WireТермометр для воды и улицы: резистор 4,7 кОм, несколько датчиков на одном проводе и загадочные 85 °C.

• Память Arduino: флеш, ОЗУ и EEPROM
• Часы реального времени для логгера
• Как ставить библиотеки из каталога