Wiele projektów elektronicznych prędzej czy później potrzebuje zapisać jakieś dane: wyniki pomiarów z czujników pogodowych, historię śledzenia GPS, pliki konfiguracyjne dla urządzenia czy choćby prosty dziennik zdarzeń (log). Mikrokontrolery mają ograniczoną wbudowaną pamięć, dlatego naturalnym rozwiązaniem jest skorzystanie z zewnętrznej pamięci masowej – najwygodniej z popularnych kart pamięci SD. Czytniki kart pamięci to nic innego jak adaptery, które pozwalają podłączyć kartę SD lub microSD do układu elektronicznego. Typowy czytnik to mała płytka drukowana z gniazdem na kartę (SD pełnowymiarową lub microSD) oraz wyprowadzeniami pinów (interfejs) do podłączenia np. do Arduino.

Standardowo komunikacja z kartą SD odbywa się po interfejsie SPI – jest to prosty szeregowy interfejs dostępny w większości mikrokontrolerów. Moduły czytników kart mają więc piny: zasilania (3,3 V – o tym zaraz), GND oraz linie SPI: MOSI, MISO, SCK i CS (chip select). W praktyce wiele z nich bywa oznaczonych jako MOSI (DI), MISO (DO), SCK (CLK) i CS (SS). Podłączenie sprowadza się do podpięcia tych linii do odpowiadających pinów mikrokontrolera. W przypadku Arduino UNO będzie to np. pin 13 (SCK), 12 (MISO), 11 (MOSI) i dowolny pin cyfrowy ustawiony jako CS (często 10). Na płytkach typu Arduino Mega czy ESP32 również są odpowiednie wyprowadzenia SPI.

Istotna kwestia: poziomy logiczne i zasilanie. Karty SD i microSD działają na napięciu 3,3 V. To oznacza, że moduł czytnika powinien być zasilany 3,3 V, a linie komunikacyjne nie mogą przekraczać tego napięcia. Wiele modułów jest projektowanych z myślą o Arduino 5 V – posiadają wbudowany stabilizator napięcia 5 V->3,3 V (dla zasilania) oraz układ translacji poziomów logicznych (np. konwertery logiczne lub dzielniki rezystorowe na liniach). Przykładowo moduł microSD do Arduino z oferty Elektroweb ma wbudowany stabilizator 3,3 V – można go zasilić z 5 V, a on zapewni właściwe napięcie karcie. Często też posiada prosty układ konwersji logicznej na liniach SPI, dzięki czemu bezpiecznie podłączymy go do 5-woltowego Arduino. Natomiast niektóre moduły (szczególnie te opisane jako „Arduino STM32 3,3 V”) mogą nie mieć pełnej konwersji i zakładają, że korzystamy z platformy 3,3 V (jak STM32, ESP8266/ESP32 czy Raspberry Pi). Dlatego zawsze warto sprawdzić specyfikację konkretnego czytnika – czy toleruje 5 V na wejściach. Jeśli nie, a chcemy użyć go z Arduino 5 V, należy dołożyć konwerter logiczny lub wybrać inny model.

Jak korzystać z karty w praktyce? Na szczęście od strony programowej jest to dość proste. Dla Arduino istnieje standardowa biblioteka SD (wspierająca system plików FAT16/FAT32), za pomocą której możemy inicjalizować kartę, tworzyć pliki, zapisywać i odczytywać dane niemal tak, jak na komputerze. Wystarczy w kodzie wskazać pin CS i wywołać SD.begin(), a następnie używać obiektów File do operacji odczytu/zapisu. Można np. utworzyć plik „dane.txt” i dopisywać do niego pomiary temperatury z czujnika co minutę – biblioteka zajmie się resztą (komunikacją SPI z kartą i organizacją danych w pliku). Pojemność kart bywa ogromna w porównaniu z potrzebami typowych układów – nawet karty 1–2 GB pomieszczą miliony logów. Większość modułów obsługuje karty SDHC (do 32 GB) sformatowane w FAT32, co jest standardem. Niektóre nowsze mikrokontrolery i biblioteki radzą sobie też z większymi kartami (SDXC, exFAT), ale w praktyce rzadko zachodzi konieczność użycia aż tak dużych nośników przy projektach DIY.

Zastosowania czytników kart w elektronice hobbystycznej są bardzo różnorodne:

• Rejestratory danych (dataloggery) – np. stacja pogodowa zapisująca odczyty czujników (temperatury, wilgotności, ciśnienia) co pewien czas na kartę. Dzięki temu można przenieść kartę do komputera i przeanalizować np. cały rok pomiarów.

• Odtwarzanie multimediów – jeżeli budujemy prosty odtwarzacz MP3 lub moduł dźwiękowy do projektu (np. odtwarzanie komunikatów głosowych, efektów dźwiękowych w instalacji artystycznej), karta pamięci pozwoli przechować pliki audio (MP3/WAV) czy nawet wideo/obrazy dla bardziej zaawansowanych projektów. Mikrokontroler lub minikomputer (np. Raspberry Pi) odczyta je z karty w razie potrzeby.

• Aktualizacje i konfiguracja – projekt można wyposażyć w funkcję odczytu konfiguracji z pliku na karcie. Wtedy zmiany ustawień (np. progi alarmowe, sekwencje działań) wprowadza się, edytując plik config na karcie pamięci – bez potrzeby przeprogramowywania mikrokontrolera. Podobnie można urządzeniu dać możliwość aktualizacji firmware’u z karty (bootloader odczytujący plik .bin z nową wersją oprogramowania).

• Przenoszenie danych między systemami – karta SD jest wymiennym nośnikiem, który łatwo przełożyć z układu do komputera i odwrotnie. To wciąż bardzo wygodny sposób transferu danych, zwłaszcza gdy nasz projekt nie ma komunikacji bezprzewodowej lub generuje duże pliki.

Oferta sklepu obejmuje zarówno moduły z gniazdem microSD, jak i pełnowymiarowe gniazda SD. Funkcjonalnie nie ma między nimi różnicy poza formatem karty – microSD są dziś powszechniejsze i fizycznie mniejsze, ale jeśli ktoś dysponuje kartami SD (np. ze starszych aparatów fotograficznych) to moduł SD również będzie działał. Przykładowe produkty to: Moduł czytnika kart microSD Micro SD Arduino RPi – klasyczny adapter microSD z pinami kompatybilnymi z Arduino, oraz Moduł czytnika kart SD Arduino RPi – podobny, ale na pełne karty SD. Jest też wariant Czytnik kart pamięci microSD Arduino STM32 SPI 3,3 V sugerujący użycie z platformami 3,3 V. Wszystkie te moduły spełniają tę samą rolę – umożliwiają twojej płytce zapis i odczyt danych na karcie pamięci.

Montaż fizyczny czytników kart jest prosty – większość ma standardowy raster pinów (2,54 mm), więc można je wpiąć w płytkę stykową lub przylutować złącze goldpin i podłączyć przewodami do układu. Moduły są niewielkie, zmieszczą się nawet w kompaktowych urządzeniach. Warto pamiętać, by karta pamięci była łatwo dostępna (np. wyprowadzić gdzieś gniazdo lub zrobić otwór w obudowie), jeśli planujemy częsty jej odczyt w komputerze.

Podsumowując, dodanie czytnika kart pamięci do projektu znacząco rozszerza jego możliwości w zakresie przechowywania danych. Za kilka złotych otrzymujemy możliwość zapisania praktycznie dowolnej ilości informacji, co dawniej wymagało kosztownych układów pamięci nieulotnej. Teraz wystarczy moduł z gniazdem i popularna karta microSD, aby nasz układ elektroniczny zyskał własny „dysk twardy”. To czyni go bardziej niezależnym i funkcjonalnym – urządzenie może zbierać dane w terenie przez długi czas, a my potem łatwo te dane odczytamy. Nic dziwnego, że czytniki kart pamięci stały się standardowym elementem wyposażenia wielu projektów DIY.

FAQ – Czytniki kart pamięci (SD/microSD) do elektroniki

Jak podłączyć moduł czytnika kart do Arduino?

Większość modułów korzysta z interfejsu SPI. Na Arduino UNO piny SPI to 13 (SCK), 12 (MISO), 11 (MOSI) oraz dodatkowo wybieramy jeden pin jako CS (zazwyczaj 10). Moduł czytnika ma wyprowadzone odpowiednie piny – wystarczy połączyć je z odpowiadającymi pinami Arduino (SCK->13, MISO->12, MOSI->11, CS->10). Dodatkowo podłączamy zasilanie 3,3 V (bądź 5 V, jeśli moduł ma wbudowany stabilizator – często moduły pozwalają na zasilanie 5 V, ale warto to sprawdzić) oraz masę GND do GND Arduino. Po podłączeniu sprzętowym można skorzystać z biblioteki SD w Arduino IDE, zainicjalizować kartę i wykonywać operacje na plikach.

Czy Arduino obsłuży kartę microSD o dużej pojemności, np. 32 GB?

Tak, Arduino z biblioteką SD obsługuje karty SDHC do 32 GB sformatowane w systemie plików FAT32. W praktyce nawet karta 4 GB czy 8 GB pomieści już ogromne ilości danych dla Arduino, ale jeśli masz kartę 16 GB czy 32 GB – również powinna działać (po sformatowaniu na FAT32). Karty powyżej 32 GB (SDXC) domyślnie używają exFAT, którego standardowa biblioteka SD nie obsługuje. Istnieją jednak biblioteki takie jak SDFat, które umożliwiają pracę z exFAT i większymi kartami na niektórych mikrokontrolerach. Dla bezpieczeństwa najlepiej trzymać się maksymalnie 32 GB i FAT32 przy klasycznym Arduino UNO/Nano/Mega.

Czy Raspberry Pi potrzebuje takiego modułu, żeby używać karty pamięci?

Duże Raspberry Pi (np. model 4B, 3B, Zero itp.) nie potrzebują dodatkowego modułu, ponieważ mają wbudowany slot na kartę microSD, z której uruchamia się system i na której przechowują dane. Natomiast w pewnych sytuacjach moduł czytnika kart może być użyteczny z Raspberry Pi – np. jeśli chcemy podłączyć drugą kartę SD przez GPIO (przez SPI) jako dodatkowy nośnik lub czytnik innych typów kart. To jednak rzadko praktykowane, bo Pi ma USB, do którego łatwiej podpiąć pendrive lub czytnik USB. Co innego Raspberry Pi Pico lub inne platformy bez swojego gniazda – one mogą korzystać z modułu czytnika podobnie jak Arduino. W skrócie: zwykłe Raspberry Pi – nie, malutkie mikrokontrolery (w tym Pico) – tak, mogą potrzebować takiego modułu, by zyskać obsługę karty.

Jak działa komunikacja SPI z kartą SD? Czy jest wystarczająco szybka?

SPI to interfejs szeregowy master-slave. Mikrokontroler (master) wysyła komendy i dane do karty (slave) linią MOSI, a karta odpowiada linią MISO. Sygnał zegarowy SCK synchronizuje transfer. Prędkość SPI można zwykle ustawić – typowo biblioteka SD inicjuje kartę na wolniejszym zegarze (np. 0.5 MHz), a potem przełącza na szybszy (często 4 MHz lub 8 MHz dla Arduino UNO). To daje przepustowość kilku stków kilobajtów na sekundę, co jest zwykle wystarczające do zapisów tekstowych czy umiarkowanie szybkich pomiarów. Dla przykładu, zapis 10 pomiarów na sekundę to drobiazg – nawet 1 KB/s to żaden problem. Jeśli planujemy coś wymagającego (np. nagrywanie dźwięku WAV 44 kHz stereo – ok. 176 KB/s), to SPI na Arduino UNO może okazać się zbyt wolne z racji ograniczeń samego mikrokontrolera. Wtedy sięga się po wydajniejsze mikrokontrolery (ESP32, Arduino Due itp.) lub wykorzystuje się ich interfejsy SDIO. W kontekście modułów SPI – tak, są wystarczająco szybkie dla większości hobbystycznych zastosowań.

Czym różni się moduł z gniazdem microSD od tego z gniazdem pełnowymiarowym SD?

Funkcjonalnie – praktycznie niczym poza fizycznym typem karty. Karty microSD i SD mają takie same interfejsy elektryczne i protokoły komunikacji. MicroSD to po prostu pomniejszona wersja SD (elektrycznie zgodna). Tak więc moduł microSD robi to samo co moduł SD, tylko przyjmuje mniejsze karty. MicroSD są dziś bardziej powszechne i często tańsze w danej pojemności, dlatego większość nowych projektów używa microSD. Jeśli jednak z jakiegoś powodu potrzebujesz użyć standardowej karty SD (np. masz czytnik w laptopie tylko na SD, chcesz łatwo przenosić kartę bez adaptera microSD->SD) – moduł z gniazdem SD będzie odpowiedni. W ofercie sklepu są oba warianty, więc można wybrać według preferencji.

Czy mogę podłączyć moduł czytnika kart bezpośrednio do pinów 5 V Arduino?

To zależy od modułu – sprawdź dokumentację swojego czytnika. Wiele modułów ma wbudowany regulator 3,3 V oraz dzielniki lub konwertery logiczne, co pozwala na bezpośrednie podłączenie do 5 V i pinów Arduino. Jeśli tak jest, to zasilasz moduł z 5 V, a on sam zadba o prawidłowe napięcia dla karty. Jeśli jednak moduł jest przeznaczony stricte do 3,3 V (np. brak na nim układu regulacji i konwersji poziomów), podłączenie do 5 V może uszkodzić kartę lub moduł. W takiej sytuacji należy zasilić go 3,3 V (Arduino UNO ma wyjście 3,3 V, z którego można skorzystać) i zastosować konwersję logiczną na liniach SPI – np. użyć rezystorowych dzielników napięcia na liniach MOSI, SCK, CS, by obniżyć 5 V do 3,3 V (linia MISO może być podłączona bezpośrednio, bo 3,3 V jest akceptowane jako „1” logiczna dla Arduino). Podsumowując: wiele modułów jest „Arduino-friendly” i toleruje 5 V, ale zawsze upewnij się przed podłączeniem – najważniejsze, by nie przekarmić karty napięciem powyżej 3,3 V.

Jakie biblioteki mogę wykorzystać do obsługi kart pamięci na różnych platformach?

Na Arduino (AVR) standardem jest biblioteka SD dołączona do Arduino IDE. Powstała też bardziej zaawansowana biblioteka SdFat (autorstwa Billa Greimana) oferująca lepszą wydajność i więcej funkcji – z niej zresztą wywodzi się nowsza wersja standardowej biblioteki. Dla platform ARM (Arduino DUE, STM32) także SdFat działa bardzo dobrze. W środowisku ESP32/ESP8266 dostępna jest biblioteka SPIFFS i SD (ESP32 pozwala nawet użyć interfejsu SDMMC równoległego), ale typowo API jest zbliżone do Arduino. Dla Raspberry Pi Pico (Micropython, CircuitPython) również istnieją moduły obsługi SD. Generalnie większość ekosystemów ma wsparcie dla systemu plików FAT na kartach – wystarczy zaimportować odpowiednią bibliotekę. Jeśli piszesz samemu w C (bare metal) na mikrokontroler, możesz skorzystać z gotowych implementacji FAT (np. ChaN FatFs) i zaimplementować warstwę interfejsu SPI. W skrócie: na każdą popularną platformę znajdziesz gotowe narzędzia, które sprawią, że obsługa karty będzie sprowadzać się do prostych poleceń otwórz/zapisz/zamknij plik.

Dlaczego mój moduł SD nie działa od razu z Arduino – na co uważać?

Jeśli napotkasz problemy, sprawdź następujące kwestie:

• Okablowanie – upewnij się, że wszystkie połączenia są zgodne z pinami SPI i że CS jest poprawnie ustawiony (a ten pin zadeklarowany w kodzie jako wyjście). Częstą pomyłką jest złe podłączenie GND – wspólna masa musi być.

• Napięcie – czy moduł jest zasilany odpowiednim napięciem i czy karta się nie przegrzewa (oznaka zbyt wysokiego napięcia).

• Karta sformatowana – najlepiej w FAT32, czasem biblioteka SD kaprysi przy exFAT lub niestandardowych partycjach.

• Biblioteka i pin CS – w Arduino IDE domyślnie biblioteka SD używa pin 10 jako CS dla UNO. Jeśli używasz innego, musisz to wskazać w SD.begin(CS_pin). Dla Mega pin CS sprzętowego SPI to 53 (ale możesz użyć innego, byle 53 ustawić jako OUTPUT też).

• Konflikty na magistrali SPI – jeśli masz inne urządzenia SPI podłączone, upewnij się, że każdy ma osobny CS i że tylko jeden jest aktywny naraz. Np. używanie Ethernet Shield (który też ma czytnik SD) wymaga wyłączenia układu Ethernet przy dostępie do SD.

• Prędkość SPI – czasem pomaga spróbować niższej prędkości SPI (w bibliotece SdFat można ustawić konfigurację SPI_HALF_SPEED itp.). Niektóre moduły/połączenia przewodów działają niestabilnie przy 8–10 MHz, ale już przy 4 MHz chodzą dobrze.

Rozwiązując te typowe problemy, zwykle udaje się uruchomić moduł. Są one dość prostymi urządzeniami, więc najczęściej źródłem kłopotów bywa drobne przeoczenie w połączeniach lub konfiguracji.