SD-карта: логируем данные датчиков

Датчик температуры в моей теплице отлично показывал значения в Serial Monitor: строка за строкой, каждые две секунды. А потом я закрыл ноутбук — и вся история исчезла. Заказчик попросил «показать, что было ночью», и показать было нечего: Serial — это не журнал, а бегущая строка. Переменная с последним измерением жила в оперативной памяти и умирала вместе с питанием. Мне нужен был носитель, который переживёт и выключение платы, и выдёргивание USB.

Решением стала microSD-карта за двести рублей и модуль к ней — платка размером с ноготь, которая втыкается прямо в макетку. И вот тут начался мой первый тупик: пример из библиотеки упрямо печатал «SD initialization failed». Карта была исправная — телефон её читал. Модуль, как выяснилось позже, был ни при чём... точнее, был: карта лежала в формате exFAT, а библиотека SD понимает только FAT16/FAT32. Но даже после переформатирования модуль молчал дальше: питание через длинную линейку макетки проседало, и один провод MISO, как я обнаружил на вторые сутки, коротил на соседний контакт — изоляция на дешёвой перемычке треснула. Стабильные 5 вольт, FAT32, короткие целые провода — три условия, без которых SD-модуль не стартует.

В этом уроке мы подключим модуль microSD к Arduino Uno по шине SPI, напишем первый логгер, который кладёт на карту файл log.csv с показаниями датчика, и разберём операцию, которую новички пропускают чаще всего, — myFile.close(). Из-за этой одной строчки люди теряют часы отладки и целые ночи наблюдений: без неё данные физически не попадают на карту.

Если модуля под рукой нет — не страшно. В конце урока запустим логгер в симуляторе: файловые операции там эмулируются печатью в Serial, зато вся логика — открытие, запись, закрытие — видна как на ладони.

SD-карта — не «флешка с контактами», а полноценное устройство со своим контроллером. Общается она по шине SPI: мастер (наша Arduino) тактирует обмен и говорит с одним или несколькими подчинёнными по четырём линиям. MOSI — данные от мастера к карте, MISO — от карты к мастеру, SCK — тактовые импульсы, CS (Chip Select) — сигнал «внимание, говорю с тобой»: пока на ней низкий уровень, карта слушает.

На Uno линии SPI выведены на фиксированные пины, и выбрать другие (не прибегая к программной эмуляции) нельзя: MOSI — 11, MISO — 12, SCK — 13. Свободным остаётся только CS — по умолчанию для SD-библиотеки берут пин 10. То есть четыре пина уходят карте безвозвратно. Планируйте макетку заранее: если на 11–13 уже сидит дисплей или светодиодная лента, начнутся загадочные конфликты, в которых виноваты оба устройства сразу.

Модуль microSD — это не просто разъём. На его плате стоит стабилизатор питания (обычно AMS1117, выдающий карте положенные 3,3 В) и микросхема преобразователя уровней. Смысл такой: сама карта питается тремя с половиной вольтами и её логика трёхвольтовая, а пины Uno выдают пять. Поэтому «голую» карту напрямую к Arduino подключать нельзя — сожжёте либо карту, либо пин. Модуль же спокойно ест 5 В и сам разбирается с уровнями.

Скорости SPI для логов более чем достаточны: шину гоняют на 8 МГц и выше, и даже мегабайт данных переправляется за считанные секунды. Узкое место — не провод, а файловая система: каждая операция с файлом — это поиск кластеров в таблице FAT, и времени она ест заметно больше, чем сам обмен байтами. Но об этом чуть ниже.

SD.begin(chipSelect) — точка входа. Функция настраивает SPI, находит карту и монтирует файловую систему. Она возвращает bool: true — карта жива, false — что-то не так. Никогда не игнорируйте этот результат: если продолжить без проверки, каждый последующий SD.open() будет молча возвращать «неудачу», и вы будете искать ошибку в коде, которого нет.

SD.open("log.csv", FILE_WRITE) возвращает объект типа File — дескриптор, «ручка», за которую вы держите открытый файл. Если файла нет, он будет создан; если есть — курсор записи встанет в конец: режим FILE_WRITE — это дозапись, а не перезапись. Именно поэтому лог за несколько запусков скетча не затирается, а растёт. Если открытие не удалось, myFile будет «ложным» — проверка if (myFile) отсеет этот случай.

myFile.println(...) работает как Serial.println, только пишет в файл: данные плюс перевод строки. Есть и myFile.print() без перевода, и myFile.write() для сырых байтов. Мне удобнее собирать одну строку цепочкой print, а завершать одним println — так меньше шансов запутаться, где заканчивается запись.

myFile.close() — герой следующего раздела. Пока запомните правило: открыли — поработали — закрыли. Всё, что вы напечатали в файл между open и close, существует сначала в буфере, и только close (или flush) гарантирует попадание на карту.

Классическая жалоба: «я записал сто строк, вынул карту, вставил в компьютер — файл пустой или его вообще нет». Разберём механику. Карта пишет данными блоками по 512 байт (сектор). Пока вы печатаете в открытый файл, Arduino копирует строки в свой RAM-буфер и физически не трогает карту — так быстрее. Когда буфер заполняется, он сбрасывается на карту целиком. А close() делает два дела: дожимает остаток буфера (даже если там три байта) и обновляет служебные таблицы FAT, чтобы компьютер «увидел» новые данные.

Прервали питание до close — буфер ушёл в никуда, а таблица FAT по-прежнему говорит компьютеру «файл пуст». Arduino не знает о вашей привычке дёргать шнур: она считает запись завершённой только после close. Поэтому в серьёзных логгерах файл открывают, дописывают одну порцию и сразу закрывают — потеря при сбое питания ограничивается одной записью. Если файл обязан оставаться открытым долго, для принудительного сброса буфера есть myFile.flush().

Второе правило из тех же недр: один открытый файл за раз. Библиотека SD рассчитана на одиночный дескриптор, и открытие второго файла при незакрытом первом — источник мистических багов. Открыли log.csv — записали — закрыли; понадобился конфиг — открыли его, прочитали, закрыли. Медленнее на десятки миллисекунд, зато предсказуемо.

Какую карту брать? Библиотека SD понимает FAT16 и FAT32 — это карты SD и SDHC объёмом примерно до 32 ГБ. Новые SDXC-карты по умолчанию размечены в exFAT, который Arduino не читает. Мой выбор — старые карты на 2–16 ГБ, оставшиеся от телефонов и фотоаппаратов: для текстового лога 2 ГБ — это миллионы строк, и старые карты ведут себя предсказуемее новых скоростных.

Форматируйте на компьютере в FAT32, а не «быстрым удалением» в телефоне. И заведите привычку подписывать карты маркером: «логгер-теплица», «логгер-гараж». Через полгода у вас будет три одинаковые карты и ноль воспоминаний, где чей лог — проверено на себе.

Теперь симулятор. В браузерной среде нет настоящей карты памяти, поэтому файловые операции там эмулируются печатью в Serial: каждое действие логгера — открытие, запись строки, закрытие — печатается строкой с префиксом [SD]. Для отладки логики это даже удобнее живой карты: видно, когда файл открыт, что именно ушло в запись и в какой момент происходит close(). Логика кода переносится на настоящий модуль один в один — поменяются только вызовы SD на реальные.

Теперь ваши данные переживают выключение платы: измерения складываются на карту строка за строкой, и файл log.csv можно открыть в Excel или переслать себе в мессенджере. В следующем уроке наведём порядок в этом файле: разберём формат CSV по-настоящему — с шапкой, разделителями и подводным камнем русского Excel, — научимся писать в лог раз в 60 секунд без delay() и прочитаем с карты конфиг, чтобы менять порог срабатывания без перепрошивки.

Домашнее задание на подумать: сколько строк влезет на карту 2 ГБ, если одна строка — 12 байт? Прикиньте в столбик, а в следующем уроке сверимся: получится порядка 170 миллионов — такого логгера хватит на человеческую жизнь.