基于8051F330的音頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，單片機(jī)系統(tǒng)以價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)環(huán)境完備、開(kāi)發(fā)工具齊全、應(yīng)用資料眾多、功能強(qiáng)大且程序易于移植等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，隨著信息化進(jìn)程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以及信號(hào)處理理論與方法的迅速發(fā)展，需要的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也提出了更高要求。MMC/SD卡以其價(jià)格、體積、讀取速度等特點(diǎn)成為現(xiàn)今大多數(shù)便攜式嵌入式設(shè)備的首選。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于8051F330的音頻信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由8051F330單片機(jī)、MMC/SD卡存儲(chǔ)器、RS232串行通信接口、上位機(jī)、液晶顯示、鍵盤(pán)以及信號(hào)調(diào)理電路等部分組成。將寫(xiě)入MMC/SD卡中的音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)，單片機(jī)通過(guò)RS232串行通信接口寫(xiě)入MMC/SD卡，以中斷方式讀取鍵盤(pán)接口命令，并根據(jù)命令控制選擇相應(yīng)的音頻信號(hào)數(shù)據(jù)，再由信號(hào)調(diào)理電路輸出不同頻率和強(qiáng)度的音頻信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)液晶顯示模塊顯示信號(hào)頻率、信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)類型。該系統(tǒng)突出的特點(diǎn)是上位機(jī)采用Lab Windows/CVI軟件，通過(guò)RS232串行通信接口與單片機(jī)通訊；以文本格式存儲(chǔ)在上位機(jī)的音頻信息則通過(guò)RS232串行通信接口下載到MMC/SD卡。

系統(tǒng)控制核心選用美國(guó)Cygnal公司的8051F330單片機(jī)，C8051F330微控制器采用獨(dú)特的CIP-8051架構(gòu)，對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，大大提高了指令的運(yùn)行速度；采用多功能存儲(chǔ)卡-MMC/SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。MMC/SD卡內(nèi)置控制電路，可應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3等多種數(shù)字設(shè)備，反復(fù)記錄30萬(wàn)次，具有較高的性價(jià)比；液晶顯示屏采用OCM12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊，由單片機(jī)時(shí)序控制，具有8位數(shù)據(jù)線、6條控制線和電源線。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 MMC/SD卡接口電路

MMC/SD卡在音頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)中是以數(shù)字量形式存儲(chǔ)音頻信息。MMC/SD卡有兩種工作模式，即MMC/SD模式和SPI模式。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，SPI模式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，但數(shù)據(jù)傳輸速率不如MMC/SD模式，本系統(tǒng)采用SPI模式。MMC/SD卡工作在SPI模式下，其各個(gè)引腳功能的定義，如表1所示。CS是MMC/SD卡的片選線，在SPI模式下，CS必須保持低電平有效；DI不但傳輸數(shù)據(jù)，還發(fā)送命令，傳輸方向是由單片機(jī)到MMC/SD卡；同樣DO除了發(fā)送數(shù)據(jù)外還傳送應(yīng)答信號(hào)，傳輸方向是由MMC/SD卡到單片機(jī)；SCLK是操作MMC/SD卡的時(shí)鐘線。將C8051F330的相應(yīng)交叉開(kāi)關(guān)配置為SPI模式，與MMC/SD卡對(duì)應(yīng)的引腳連接。針對(duì)SPI總線線路上增加了上拉電阻。MMC/SD卡與單片機(jī)接口電路。如圖2所示。

3.2 上位機(jī)和單片機(jī)通信

上位機(jī)采用Lab Windows/CVI軟件通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送音頻信息。單片機(jī)將接收到的信息數(shù)據(jù)寫(xiě)入MMC/SD卡。Lab Windows/CVI軟件的音頻信息是由WinHex軟件將原始文件轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制的數(shù)字量，該軟件可對(duì)多種語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。上位機(jī)與單片機(jī)的通信是通過(guò)RS232串口通訊器件完成的。當(dāng)上位機(jī)與音頻信號(hào)發(fā)生器相距較遠(yuǎn)．不能直接用RS232器件將其連接時(shí)，可將RS232轉(zhuǎn)換為CAN，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。RS232標(biāo)準(zhǔn)電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3 V～+15 V的任意電平為邏輯“0”電平，-3 V～-15 V的任意電平為邏輯“1”電平。而CAN信號(hào)則使用差分電壓傳輸，2條信號(hào)線稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均為2.5 V，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可稱為“隱性”；CAN_H比CAN_L高時(shí)表示邏輯“0”，稱為“顯性”。顯性時(shí)，通常為：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5 V。

RS232串口的幀格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程的第9位(此位為發(fā)送和接收的地址/數(shù)據(jù)位)，1位停止位。而CAN的數(shù)據(jù)幀格式：幀信息+ID+數(shù)據(jù)(分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式)。

3.3 信號(hào)調(diào)理電路

存儲(chǔ)在MMC/SD卡中的數(shù)據(jù)是音頻信號(hào)發(fā)生器的源代碼。單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)從MMC/SD卡中讀出，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換，以模擬量的形式從P01輸出。該模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路可外接耳機(jī)或音響播放十幾種音律。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。由P01輸出的信號(hào)經(jīng)LM324放大后，由多個(gè)LM324并聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟隨和功率驅(qū)動(dòng)。圖中只畫(huà)出了2個(gè)跟隨器，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要可以并聯(lián)10多個(gè)信號(hào)跟隨器。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化可完成C8051F330的I/O口、晶體振蕩器、SPI總線和C8051F330片上串口的初始化設(shè)置。用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼如下：

4.2 MMC/SD卡初始化

MMC/SD卡上電后默認(rèn)為MMC/SD模式，要使MMC/SD卡工作在SPI模式下，在MMC/SD卡初始化時(shí)，當(dāng)片選線(CS)被拉低時(shí)發(fā)送復(fù)位命令CMD0，如收到應(yīng)答信號(hào)01H，表示已將卡置為閑置狀態(tài)；如收到應(yīng)答信號(hào)不是01H，則表示出錯(cuò)。然后向MMC/SD卡發(fā)送命令CMD1，收到正確的應(yīng)答信號(hào)00H之后，才會(huì)使MMC/SD卡進(jìn)入SPI模式。MMC/SD卡初始化流程如圖4所示。

MMC/SD卡協(xié)議是一種問(wèn)答式協(xié)議。首先單片機(jī)發(fā)送CMD。接著由MMC/SD卡發(fā)送回應(yīng)RES。MMC/SD卡的命令長(zhǎng)度都是6字節(jié)，命令總是以左邊的起始位開(kāi)始，右邊的結(jié)束位結(jié)束。其具體的命令格式如表2所示，MMC/SD卡的應(yīng)答格式分為4種，分別是R1、R1b、R2和R3應(yīng)答。

4.3 MMC/SD卡單塊寫(xiě)數(shù)據(jù)

MMC/SD卡單塊寫(xiě)數(shù)據(jù)主要實(shí)現(xiàn)C8051F330對(duì)MMC/SD卡的單塊寫(xiě)操作。MMC/SD卡塊的默認(rèn)大小為512字節(jié)。當(dāng)MMC/SD卡接收到單塊寫(xiě)命令CMD24后，MMC/SD卡向單片機(jī)發(fā)送應(yīng)答命令，并且等著單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)塊。當(dāng)應(yīng)答命令R1為0時(shí)，說(shuō)明可以發(fā)送512個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。MMC/SD卡對(duì)接收到的數(shù)據(jù)塊都通過(guò)一個(gè)l字節(jié)長(zhǎng)的命令確認(rèn)，當(dāng)其低5位二進(jìn)制數(shù)據(jù)為00101時(shí)，數(shù)據(jù)塊才確認(rèn)數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入MMC/SD卡。在數(shù)據(jù)塊發(fā)送中，共發(fā)送515個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其中，第一個(gè)字節(jié)為0xFE，隨后是512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)塊，最后是2個(gè)字節(jié)的CRC。單塊數(shù)據(jù)寫(xiě)入MMC/SD卡的流程圖如圖5所示。

采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)MMC/SD卡的SPI協(xié)議，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與MMC/SD卡的接口，解決了嵌入式系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，利用上位機(jī)可以方便的讀取寫(xiě)入數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的存儲(chǔ)速度可達(dá)20 Mb/s，完全滿足信號(hào)發(fā)生器所需的下載速度和音頻播放速度。所編寫(xiě)的MMC/SD卡驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)應(yīng)用到嵌入式信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定的存儲(chǔ)。相對(duì)于MMC/SD卡無(wú)論是讀寫(xiě)速度還是存儲(chǔ)容量都得到了極大提高。在SPI模式下，SD卡與MMC卡相兼容，即就是說(shuō)SD卡程序也適用于MMC卡。