Arduino 存储之EEPROM 和 SD 卡模块

EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)

EEPROM 是 Arduino 微控制器内部的一种非易失性存储器。这意味着即使 Arduino 断电，存储在 EEPROM 中的数据也不会丢失。它适用于存储少量、需要长期保存的配置信息、校准数据或计数器等。

EEPROM 的特点

• 非易失性：数据断电不丢失。
• 容量小：通常只有几百字节到几千字节（例如，ATmega328P 微控制器内置 1KB EEPROM）。
• 擦写寿命有限：每个字节的擦写次数是有限的（通常为 10 万次），所以不适合频繁写入。
• 读写速度相对较慢：相比 RAM。

如何使用 EEPROM

Arduino IDE 提供了一个方便的 EEPROM 库，让你轻松读写 EEPROM。

核心函数

• read(address): 从指定地址读取一个字节的数据。
• write(address, value): 将一个字节的数据写入指定地址。
• update(address, value): 这是一个优化过的写入函数。它会先读取地址上的数据，如果与要写入的数据相同，则不进行写入操作，这样可以延长 EEPROM 的寿命。强烈建议使用 update() 而不是 write() 进行写入。
• get(address, variable): 读取多个字节的数据，将其反序列化为任何数据类型（如 int, float, struct 等）。
• put(address, value): 写入多个字节的数据，将任何数据类型序列化后写入 EEPROM。

学习示例

写入和读取单个字节

#include <EEPROM.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial); // 等待串口连接

  int address = 0; // 从地址0开始存储

  // 写入一个字节
  byte valueToWrite = 123;
  EEPROM.update(address, valueToWrite); // 使用 update() 延长寿命
  Serial.print("写入值: ");
  Serial.println(valueToWrite);

  // 读取一个字节
  byte valueRead = EEPROM.read(address);
  Serial.print("读取值: ");
  Serial.println(valueRead);
}

void loop() {
  // EEPROM 操作通常在 setup() 中执行，或者在特定事件触发时执行。
  // 避免在 loop() 中频繁写入。
}

存储和读取复杂数据类型（例如：一个整数）

#include <EEPROM.h>

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

  int address = 0; // 从地址0开始

  // 写入一个整数
  int intValueToWrite = 12345;
  EEPROM.put(address, intValueToWrite);
  Serial.print("写入整数: ");
  Serial.println(intValueToWrite);

  // 读取一个整数
  int intValueRead;
  EEPROM.get(address, intValueRead);
  Serial.print("读取整数: ");
  Serial.println(intValueRead);
}

void loop() {
}

存储和读取自定义结构体

#include <EEPROM.h>

// 定义一个结构体来存储多个相关数据
struct MyData {
  int id;
  float temperature;
  bool isActive;
};

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

  int address = 0;

  // 准备要写入的数据
  MyData dataToWrite = {101, 25.5, true};
  Serial.println("写入数据:");
  Serial.print("  ID: "); Serial.println(dataToWrite.id);
  Serial.print("  Temperature: "); Serial.println(dataToWrite.temperature);
  Serial.print("  Active: "); Serial.println(dataToWrite.isActive ? "Yes" : "No");

  // 将结构体写入 EEPROM
  EEPROM.put(address, dataToWrite);

  // 从 EEPROM 读取数据
  MyData dataRead;
  EEPROM.get(address, dataRead);
  Serial.println("\n读取数据:");
  Serial.print("  ID: "); Serial.println(dataRead.id);
  Serial.print("  Temperature: "); Serial.println(dataRead.temperature);
  Serial.print("  Active: "); Serial.println(dataRead.isActive ? "Yes" : "No");
}

void loop() {
}

学习建议

• 理解地址：EEPROM 像一个数组，每个字节都有一个唯一的地址。
• 注意数据类型：当使用 put() 和 get() 存储和读取复杂数据类型时，确保读取时的数据类型与写入时的数据类型完全匹配，否则可能会得到乱码。
• 寿命限制：记住 EEPROM 的擦写寿命限制。避免在 loop() 中频繁写入，只在必要时才进行写入操作。
• EEPROM 大小：不同型号的 Arduino 板载 EEPROM 大小不同，例如 Uno (ATmega328P) 是 1KB，Mega (ATmega2560) 是 4KB。可以通过length() 获取 EEPROM 的总大小。

SD 卡模块 (MicroSD Card Module)

当你需要存储大量数据时，例如传感器数据日志、图片、音频文件或复杂的配置文件，EEPROM 的容量就远远不够了。这时，SD 卡模块就成了理想的选择。它允许你使用标准的 MicroSD 卡作为存储介质。

SD 卡模块的特点

• 容量大：SD 卡的容量可以从几百兆字节到几百吉字节，远超 EEPROM。
• 非易失性：数据断电不丢失。
• 擦写寿命长：通常比 EEPROM 长得多。
• 读写速度快：比 EEPROM 快得多，尤其适合日志记录。
• 使用文件系统：SD 卡通常使用 FAT16 或 FAT32 文件系统，方便文件管理。

所需硬件

• SD 卡模块：通常是 SPI 接口。
• MicroSD 卡：根据需求选择合适的容量和速度等级。
• Arduino 板。
• 跳线或面包板用于连接。

连接 SD 卡模块到 Arduino

SD 卡模块通常通过 SPI (Serial Peripheral Interface) 协议与 Arduino 通信。以下是典型的连接方式：

注意：对于 Arduino Mega，SPI 引脚位置不同：MISO (D50), MOSI (D51), SCK (D52)。CS 引脚仍然可以自由选择。

如何使用 SD 卡模块

Arduino IDE 提供了一个强大的 SD 库，用于与 SD 卡进行交互。

前期准备

• 格式化 SD 卡：第一次使用 SD 卡时，建议将其格式化为 FAT16 或 FAT32 文件系统。可以通过电脑来完成。
• 安装 SD 库：Arduino IDE 通常内置了 SD 库，如果提示找不到，可以通过 “工具” -> “管理库” 搜索并安装。

核心函数

• begin(csPin): 初始化 SD 卡模块。csPin 是连接到 SD 模块 CS 引脚的 Arduino 引脚号。
• exists(filename): 检查文件或目录是否存在。
• mkdir(directoryName): 创建目录。
• rmdir(directoryName): 删除空目录。
• remove(filename): 删除文件。
• open(filename, mode): 打开文件。mode 可以是 FILE_READ (只读) 或 FILE_WRITE (写入，如果文件不存在则创建)。
• print(), file.println(), file.write(): 写入数据到文件，用法与 Serial 类似。
• read(): 从文件中读取一个字节。
• available(): 返回文件中可供读取的字节数。
• close(): 关闭文件。非常重要！ 写入数据后必须关闭文件才能确保数据被保存。

学习示例

检查 SD 卡并列出文件

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

const int chipSelect = 10; // SD 模块的 CS 引脚连接到 Arduino 的 D10

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

  Serial.print("正在初始化 SD 卡...");

  if (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("SD 卡初始化失败或未插入！");
    while (true); // 停在这里
  }
  Serial.println("SD 卡初始化成功。");

  Serial.println("\nSD 卡内容:");
  printDirectory(SD.open("/"), 0); // 列出根目录内容
}

void loop() {
}

void printDirectory(File dir, int numTabs) {
  while (true) {
    File entry = dir.openNextFile();
    if (!entry) {
      // 没有更多文件了
      break;
    }
    for (uint8_t i = 0; i < numTabs; i++) {
      Serial.print('\t');
    }
    Serial.print(entry.name());
    if (entry.isDirectory()) {
      Serial.println("/");
      printDirectory(entry, numTabs + 1); // 递归列出子目录
    } else {
      // files have a size
      Serial.print("\t\t");
      Serial.println(entry.size());
    }
    entry.close();
  }
}

创建文件并写入数据

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

const int chipSelect = 10;

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

  Serial.print("正在初始化 SD 卡...");
  if (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("SD 卡初始化失败！");
    while (true);
  }
  Serial.println("SD 卡初始化成功。");

  // 创建一个新文件并写入数据
  File dataFile = SD.open("datalog.txt", FILE_WRITE);

  // 如果文件打开成功，写入数据
  if (dataFile) {
    Serial.print("正在写入 datalog.txt...");
    dataFile.println("Hello from Arduino!");
    dataFile.println("This is a test log entry.");
    dataFile.println(millis()); // 写入当前运行时间
    dataFile.close(); // 关闭文件
    Serial.println("写入完成。");
  } else {
    Serial.println("打开 datalog.txt 失败。");
  }
}

void loop() {
}

读取文件内容

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

const int chipSelect = 10;

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

  Serial.print("正在初始化 SD 卡...");
  if (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("SD 卡初始化失败！");
    while (true);
  }
  Serial.println("SD 卡初始化成功。");

  // 打开文件进行读取
  File dataFile = SD.open("datalog.txt"); // 默认以只读模式打开

  if (dataFile) {
    Serial.println("正在读取 datalog.txt:");
    // 逐字符读取文件内容并输出到串口
    while (dataFile.available()) {
      Serial.write(dataFile.read());
    }
    dataFile.close(); // 关闭文件
  } else {
    Serial.println("打开 datalog.txt 失败。");
  }
}

void loop() {
}

学习建议

• SPI 连接：确保 SPI 引脚连接正确，特别是 MISO, MOSI, SCK。CS 引脚可以灵活选择，但要确保在begin() 中指定正确的引脚。
• 文件关闭：写入数据后务必调用close() 关闭文件，否则数据可能不会被正确写入 SD 卡。
• 文件路径：SD 卡支持目录结构，可以使用 / 来表示目录分隔符，例如open(“mydata/sensor.txt”)。
• 错误处理：始终检查begin() 和 SD.open() 的返回值，以处理初始化失败或文件打开失败的情况。
• 电流消耗：SD 卡模块在工作时会有一定的电流消耗，如果通过电池供电，需要考虑这一点。