基于8051F330的音頻信號發(fā)生器的設計與實(shí)現

　　1 引言

　　目前，單片機系統以?xún)r(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)環(huán)境完備、開(kāi)發(fā)工具齊全、應用資料眾多、功能強大且程序易于移植等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應用。同時(shí)，隨著(zhù)信息化進(jìn)程、計算機科學(xué)與技術(shù)以及信號處理理論與方法的迅速發(fā)展，需要的數據量越來(lái)越大，對數據存儲也提出了更高要求。MMC/SD卡以其價(jià)格、體積、讀取速度等特點(diǎn)成為現今大多數便攜式嵌入式設備的首選。

　　2 系統結構及原理

　　基于8051F330的音頻信號發(fā)生器的系統結構如圖1所示，它主要由8051F330單片機、MMC/SD卡存儲器、RS232串行通信接口、上位機、液晶顯示、鍵盤(pán)以及信號調理電路等部分組成。將寫(xiě)入MMC/SD卡中的音頻數據存儲在上位機，單片機通過(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，并根據命令控制選擇相應的音頻信號數據，再由信號調理電路輸出不同頻率和強度的音頻信號，系統通過(guò)液晶顯示模塊顯示信號頻率、信號強度及信號類(lèi)型。該系統突出的特點(diǎn)是上位機采用Lab Windows/CVI軟件，通過(guò)RS232串行通信接口與單片機通訊;以文本格式存儲在上位機的音頻信息則通過(guò)RS232串行通信接口下載到MMC/SD卡。

　　系統控制核心選用美國Cygnal公司的8051F330單片機，C8051F330微控制器采用獨特的CIP-8051架構，對指令運行實(shí)行流水作業(yè)，大大提高了指令的運行速度;采用多功能存儲卡-MMC/SD卡作為存儲介質(zhì)。MMC/SD卡內置控制電路，可應用于手機、數碼相機、MP3等多種數字設備，反復記錄30萬(wàn)次，具有較高的性?xún)r(jià)比;液晶顯示屏采用OCM12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊，由單片機時(shí)序控制，具有8位數據線(xiàn)、6條控制線(xiàn)和電源線(xiàn)。

　　3 硬件設計

　　3.1 MMC/SD卡接口電路

　　MMC/SD卡在音頻信號發(fā)生器系統中是以數字量形式存儲音頻信息。MMC/SD卡有兩種工作模式，即MMC/SD模式和SPI模式。從實(shí)際應用角度出發(fā)，SPI模式設計簡(jiǎn)單，操作方便，但數據傳輸速率不如MMC/SD模式，本系統采用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(xiàn)，在SPI模式下，CS必須保持低電平有效;DI不但傳輸數據，還發(fā)送命令，傳輸方向是由單片機到MMC/SD卡;同樣DO除了發(fā)送數據外還傳送應答信號，傳輸方向是由MMC/SD卡到單片機;SCLK是操作MMC/SD卡的時(shí)鐘線(xiàn)。將C8051F330的相應交叉開(kāi)關(guān)配置為SPI模式，與MMC/SD卡對應的引腳連接。針對SPI總線(xiàn)線(xiàn)路上增加了上拉電阻。MMC/SD卡與單片機接口電路。如圖2所示。

　　3.2 上位機和單片機通信

　　上位機采用Lab Windows/CVI軟件通過(guò)串口向單片機發(fā)送音頻信息。單片機將接收到的信息數據寫(xiě)入MMC/SD卡。Lab Windows/CVI軟件的音頻信息是由WinHex軟件將原始文件轉換成16進(jìn)制的數字量，該軟件可對多種語(yǔ)音信號進(jìn)行轉換。上位機與單片機的通信是通過(guò)RS232串口通訊器件完成的。當上位機與音頻信號發(fā)生器相距較遠.不能直接用RS232器件將其連接時(shí)，可將RS232轉換為CAN，通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現串口設備的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)。RS232標準電平采用負邏輯，規定+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信號則使用差分電壓傳輸，2條信號線(xiàn)稱(chēng)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(chēng)為“隱性”;CAN_H比CAN_L高時(shí)表示邏輯“0”，稱(chēng)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位數據位，1位可編程的第9位(此位為發(fā)送和接收的地址/數據位)，1位停止位。而CAN的數據幀格式：幀信息+ID+數據(分為標準幀和擴展幀兩種格式)。

　　3.3 信號調理電路

　　存儲在MMC/SD卡中的數據是音頻信號發(fā)生器的源代碼。單片機將這些數據從MMC/SD卡中讀出，經(jīng)過(guò)單片機內部數模轉換，以模擬量的形式從P01輸出。該模擬信號經(jīng)信號調理電路可外接耳機或音響播放十幾種音律。信號調理電路如圖3所示。由P01輸出的信號經(jīng)LM324放大后，由多個(gè)LM324并聯(lián)實(shí)現信號跟隨和功率驅動(dòng)。圖中只畫(huà)出了2個(gè)跟隨器，實(shí)際應用中根據需要可以并聯(lián)10多個(gè)信號跟隨器。

　　4 軟件設計

　　4.1 系統初始化

　　系統初始化可完成C8051F330的I/O口、晶體振蕩器、SPI總線(xiàn)和C8051F330片上串口的初始化設置。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)，當片選線(xiàn)(CS)被拉低時(shí)發(fā)送復位命令CMD0，如收到應答信號01H，表示已將卡置為閑置狀態(tài);如收到應答信號不是01H，則表示出錯。然后向MMC/SD卡發(fā)送命令CMD1，收到正確的應答信號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。首先單片機發(fā)送CMD。接著(zhù)由MMC/SD卡發(fā)送回應RES。MMC/SD卡的命令長(cháng)度都是6字節，命令總是以左邊的起始位開(kāi)始，右邊的結束位結束。其具體的命令格式如表2所示，MMC/SD卡的應答格式分為4種，分別是R1、R1b、R2和R3應答。

　　4.3 MMC/SD卡單塊寫(xiě)數據

　　MMC/SD卡單塊寫(xiě)數據主要實(shí)現C8051F330對MMC/SD卡的單塊寫(xiě)操作。MMC/SD卡塊的默認大小為512字節。當MMC/SD卡接收到單塊寫(xiě)命令CMD24后，MMC/SD卡向單片機發(fā)送應答命令，并且等著(zhù)單片機發(fā)送數據塊。當應答命令R1為0時(shí)，說(shuō)明可以發(fā)送512個(gè)字節數據。MMC/SD卡對接收到的數據塊都通過(guò)一個(gè)l字節長(cháng)的命令確認，當其低5位二進(jìn)制數據為00101時(shí)，數據塊才確認數據塊寫(xiě)入MMC/SD卡。在數據塊發(fā)送中，共發(fā)送515個(gè)字節數據，其中，第一個(gè)字節為0xFE，隨后是512字節的用戶(hù)數據塊，最后是2個(gè)字節的CRC。單塊數據寫(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 結束語(yǔ)

　　根據MMC/SD卡的SPI協(xié)議，采用單片機實(shí)現與MMC/SD卡的接口，解決了嵌入式系統大容量數據存儲問(wèn)題，利用上位機可以方便的讀取寫(xiě)入數據。本系統的存儲速度可達20 Mb/s，完全滿(mǎn)足信號發(fā)生器所需的下載速度和音頻播放速度。所編寫(xiě)的MMC/SD卡驅動(dòng)程序已經(jīng)應用到嵌入式信號發(fā)生器系統中，實(shí)現了數據的安全、穩定的存儲。相對于MMC/SD卡無(wú)論是讀寫(xiě)速度還是存儲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。