ESP32 Arduino – przykład obsługi karty SD, SPI i SD_MMC, kod, podłączenie, formatowanie FAT32

Pytanie

ESP32 , przykład użycia karty SD aruino

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• ESP32 współpracuje z kartą micro-SD w Arduino IDE przy użyciu bibliotek SPI.h + SD.h (interfejs SPI) lub SD_MMC.h (interfejs 4-bit SD-MMC).
• Wystarczy podłączyć standardowe piny SPI (MOSI 23, MISO 19, SCK 18, CS 5), zasilić czytnik 3 V3, sformatować kartę FAT32 i wywołać SD.begin(CS_PIN).
• Poniższy szkic tworzy plik /test.txt, zapisuje linię tekstu i wyświetla jego zawartość w terminalu.

Szczegółowa analiza problemu

1. Warstwa sprzętowa

1.1 Interfejsy
• SPI (1-bit, uniwersalny):

ESP32  ↔  SD-module
GPIO23 MOSI ↔  DI
GPIO19 MISO ↔  DO
GPIO18 SCK  ↔  SCK
GPIO5  CS   ↔  CS
3.3 V ↔  VCC, GND ↔  GND

• SD-MMC (4-bit, szybszy): użyj biblioteki SD_MMC.h i pinów GPIO 2/4/12/13/14/15 (dokładnie jak w tabeli w dokumentacji Espressif).

1.2 Zasilanie
– ESP32 nie toleruje 5 V na liniach I/O. Jeśli moduł SD ma konwerter poziomów i stabilizator, zasil go 5 V; w przeciwnym razie wszystko podłącz do 3 V3.
– Szczytowy pobór prądu przy zapisie przekracza 100 mA; zadbaj o krótkie przewody i kondensator 100 nF + ≥10 µF przy gnieździe SD.

1.3 Format karty
– FAT16/FAT32 (oficjalny „SD Card Formatter”).
– exFAT jest w fazie testów w core 2.0.11-dev, jeszcze niezalecane do produkcji.

2. Warstwa programowa – przykład SPI

#include <SPI.h>
#include <SD.h>
constexpr uint8_t PIN_CS = 5;                // CS (dowolny wolny GPIO)
SPIClass spi = SPIClass(VSPI);               // VSPI → SCK18 MISO19 MOSI23
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  spi.begin(18, 19, 23, PIN_CS);             // (SCK, MISO, MOSI, CS)
  if (!SD.begin(PIN_CS, spi, 40000000)) {    // 40 MHz, można obniżyć
    Serial.println("SD init failed");
    for (;;);
  }
  Serial.println("SD OK");
  File f = SD.open("/test.txt", FILE_WRITE);
  if (f) { f.println("Witaj z ESP32!"); f.close(); }
  f = SD.open("/test.txt");
  if (f) { while (f.available()) Serial.write(f.read()); f.close(); }
}
void loop() {}

Wywołanie z trzecią składową spi pozwala na ​przeniesienie magistrali na niestandardowe piny.

3. Warstwa programowa – przykład SD-MMC (4-bit)

#include <SD_MMC.h>
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!SD_MMC.begin("/sdcard", true, false, SDMMC_FREQ_DEFAULT)) {
    Serial.println("SD_MMC init failed");
    for (;;);
  }
  File f = SD_MMC.open("/fast.txt", FILE_WRITE);
  if (f) { f.println("Transfer 4-bit ~18 MB/s"); f.close(); }
}
void loop() {}

Interfejs SD-MMC osiąga 15-20 MB/s (SPI typowo 1-2 MB/s).

4. Najczęstsze problemy i diagnostyka

5. Wydajność i optymalizacja

– Biblioteka SdFat (integralnie w core 2.x) zapewnia buforowanie i większe szybkości (funkcja SD.sdfs).
– Dla logowania czasu użyj rtc.begin() i znaczników UNIX → strftime().
– Duże pliki binarne (np. zdjęcia ESP32-CAM) zapisuj f.write(buf, len) zamiast println().

Aktualne informacje i trendy

• Core Arduino-ESP32 2.0.11 (2024-Q2) wprowadził:
  • asynchroniczne API SD (File file = SD.open("/x", "r", true);)
  • eksperymentalne wsparcie exFAT >32 GB (na razie tylko czytanie).
• Nowe moduły ESP32-S3 (np. ESP32-S3-USB-OTG) mają wbudowany slot SD-MMC obsługujący HS-SDR50 50 MHz.
• W aplikacjach IoT rośnie popularność lokalnego buforowania danych („edge logging”) z okresową synchronizacją do chmury po Wi-Fi/BLE.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• System plików FAT jest realizowany przez FatFs (ChaN) skompilowany w core; config_fatfs.h pozwala włączyć długie nazwy LFN.
• File dziedziczy z Stream; można użyć file.readBytes(buf, n) – analogicznie do UART.
• W platformio.ini zwiększ build_flags = -DCORE_DEBUG_LEVEL=5, by zobaczyć diagnostykę SD.

Aspekty etyczne i prawne

• Logując dane użytkowników (np. geolokalizacja, biometria) musisz zapewnić zgodność z RODO/GDPR – przechowuj tylko niezbędne dane, szyfruj (mbedTLS + AES) przed zapisem.
• Karty SD są nośnikami usuwalnymi – rozważ ochronę integralności (CRC, kopie zapasowe) w aplikacjach krytycznych, np. rejestratory lotnicze.

Praktyczne wskazówki

• Przy projektowaniu PCB trzymaj linie CLK/MOSI długości <40 mm i zakończ rezystorem 33 Ω.
• Do aktualizacji firmware OTA można trzymać binarki na SD i użyć Update.begin(file.size()).
• Zalecaj kart klasy 10 UHS-I – tańsze „no-name” szybko gubią sektory.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• SPI i Wi-Fi korzystają z tego samego kontrolera DMA – w intensywnych transmisjach może być potrzebne wifi.low_power = true.
• SD-MMC nie działa na ESP32-C3 (brak kontrolera SDIO); tam pozostaje tylko SPI.

Sugestie dalszych badań

• Test stabilności exFAT na kartach 64–256 GB (branch feature/exfat).
• Wear levelling w kartach industrialnych vs. consumer – porównanie żywotności przy logowaniu 24/7.
• Użycie LittleFS na wbudowanym flash + SD jako kopia bezpieczeństwa.

Krótkie podsumowanie

Integracja karty SD z ESP32 w Arduino sprowadza się do: poprawnego zasilania 3 V3, spięcia magistrali SPI (lub SD-MMC), wywołania SD.begin() i operacji na plikach jak w PC-towym C. Zaktualizowane core 2.x oferuje większą szybkość, SdFat oraz (beta) exFAT. Pamiętaj o kondycji zasilania, krótkich przewodach i formatowaniu FAT32 – a nawet rozbudowane projekty (rejestratory danych, serwery plików, ESP32-CAM) będą działać pewnie i wydajnie.