基于8位單片機(jī)和閃存的聲音播放器設(shè)計(jì)

提出一種在單片機(jī)系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單地使用大容量NAND Flash存儲(chǔ)器的方法。與一般方法相比，編寫(xiě)應(yīng)用程序的程序員不需要掌握計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)的規(guī)范，只要按照NAND Flash的讀、寫(xiě)、擦除等時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行操作，把NANDFlash當(dāng)成NOR Flash或SRAM來(lái)對(duì)待，這樣存儲(chǔ)器的物理地址對(duì)程序員而言是透明的，只需要在遇到壞塊(BAD BLOCK)時(shí)跳過(guò)該塊就可以了。

該方法降低了使用NAND Flash存儲(chǔ)器的難度和成本，且不僅適用于EPG3231，也可以推廣到一般的8位單片機(jī)系統(tǒng)中使用。

　　在從事單片機(jī)的教學(xué)中，由于學(xué)生對(duì)有聲音和顯示的制作項(xiàng)目更感興趣一些。因此，在學(xué)習(xí)過(guò)程中這種興趣往往能讓他們完成項(xiàng)目，獲得成就感，從而學(xué)到更多的東西。

　　目前在技術(shù)上，聲音的存儲(chǔ)大都使用大容量的NAND Flash，但一般按照文件系統(tǒng)的方式存儲(chǔ)，這對(duì)學(xué)生有一定的難度。本聲音播放器的聲音文件采用非文件方式存儲(chǔ)在NAND Flash中，這樣在不需要太多背景知識(shí)的情況下，可以比較簡(jiǎn)單地使用大容量的NAND Flash存儲(chǔ)器，降低了使用NAND Flash存儲(chǔ)器的難度和成本。

　　1 聲音播放器總體設(shè)計(jì)方案

　　聲音播放器總體設(shè)計(jì)框圖如圖l所示。其中存儲(chǔ)器用于存放聲音文件，單片機(jī)將存儲(chǔ)器中的聲音文件名顯示在顯示器上，并根據(jù)按鍵選擇要播放的聲音文件，從存儲(chǔ)器中將聲音文件的數(shù)據(jù)送到內(nèi)部的D／A轉(zhuǎn)換器，D／A的輸出通過(guò)功放放大后送到喇叭放出聲音。

　　其中，在選擇存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足大容量、非易失、價(jià)格便宜等條件，根據(jù)上述條件，NAND Flash為最佳選擇，這里選用K9G8G08型NAND Flash，其容量是1 G字節(jié)。對(duì)于WAV格式的語(yǔ)音信息，8 bit、22．05 kHz、單聲道足以滿(mǎn)足一般需求，而對(duì)于音樂(lè)(歌曲)來(lái)講，44．1 kHz的采樣頻率也能達(dá)到較好效果，因此，該器件中能存儲(chǔ)約800 min語(yǔ)音或400 min音樂(lè)；顯示器采用122x32的LCM，內(nèi)置控制器為SEDl520，可以顯示14個(gè)漢字或28個(gè)英文字符；按鍵主要有放音／暫停、停止、上翻、下翻等，采用獨(dú)立式按鍵；單片機(jī)選用ELAN的EPG3231，該器件與5l系列單片機(jī)使用相似。

　　設(shè)計(jì)聲音播放器關(guān)鍵需要考慮：聲音數(shù)據(jù)以何種格式、何種方式載入K9G8G08。一種可直接用一個(gè)U盤(pán)，通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)下載到K9G8G08中，聲音數(shù)據(jù)以文件方式存放。但這樣必須在單片機(jī)中完成與U盤(pán)的接口連接，并且要熟悉計(jì)算機(jī)的文件格式，這對(duì)單片機(jī)的初學(xué)者來(lái)講難度比較大。另一種是將聲音數(shù)據(jù)按順序存放在K9G8G08中(遇到壞塊時(shí)跳過(guò)即可)，這樣數(shù)據(jù)存放的物理地址對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)講是透明的，再使用下載器就可以將聲音數(shù)據(jù)載入K9G8G08中。如果將下載器和聲音播放器做在一起，同樣可以在線(xiàn)下載數(shù)據(jù)。

　　2 聲音播放器硬件電路設(shè)計(jì)

　　2．1 K9G8G08簡(jiǎn)介

　　K9G8G08是三星公司生產(chǎn)的1 Gx8 bit的NAND Flash存儲(chǔ)器，工作電壓為2．7～3．6 V，內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為(2 K+64)字節(jié)／頁(yè)×128頁(yè)／塊×4096塊。外部電路通過(guò)共用的8位I／0端口分時(shí)訪(fǎng)問(wèn)其命令寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件讀、寫(xiě)和擦除等操作。其存儲(chǔ)器的命名方式參見(jiàn)文獻(xiàn)。K9G8G08采用48引腳的TSOP封裝，其引腳配置如圖2所示。

　　2．2 EPG3231簡(jiǎn)介

　　EPG323l是ELAN公司的8位RISC單片機(jī)，它有11個(gè)8位并行口、1個(gè)8位電流輸出型的D／A、1個(gè)10位逐次逼近型A／D、1個(gè)通用異步收發(fā)器UART、1個(gè)8，16，24位的串行外設(shè)接口SPI、3個(gè)定時(shí)器等，硬件資源豐富，還支持手寫(xiě)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、ADPCM編解碼等功能。另外，EPG3-23l的速度較快，在時(shí)鐘頻率為16 MHz時(shí)，指令周期為125 ns。

　　2．3 EPG3231與K9G8G08的電路連接

　　圖3為EPG3231與K9G8G08的電路連接圖。圖中沒(méi)有給出K9G8G08，只給出了EPG323l的基本電路及用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)標(biāo)出的與K9G8G08的連接引腳。K9G8G08的19引腳是寫(xiě)保護(hù)，在實(shí)際電路中接+3．3 V(不保護(hù))。需要說(shuō)明的是，EPG323l的D／A輸出是48引腳(PBl)，輸出電流信號(hào)，需要將其輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再送至后續(xù)的功放。其中比較簡(jiǎn)單且可行的做法是在PBl與地之間接一只電阻來(lái)完成電流與電壓的轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵是該電阻的取值。若電阻阻值較大，輸出波形的上部會(huì)出現(xiàn)限幅失真；若阻值較小，則不能最大限度地利用D／A的動(dòng)態(tài)范圍。因此確定該電阻阻值的方法是：先接一只可調(diào)電阻，寫(xiě)一段測(cè)試程序，向D／A反復(fù)連續(xù)地送00～FFH的數(shù)值，通過(guò)示波器觀察PBl輸出，調(diào)整可調(diào)電阻，使輸出為不失真的鋸齒波，且最高點(diǎn)為3．3 V(即參考電源VREX(70引腳)電壓)。

　　另外，圖3中使用EPG323l的D端口(PD0～PD7)與K9G8G08的I／O端口相連，這個(gè)端口必須是雙向的，使用其他的雙向端口也可以，但不要使用J端口和K端口，這兩個(gè)端口適用按鍵的輸入／輸出(矩陣鍵盤(pán)時(shí)的掃描輸出)，速度比較慢，不能用于與K9G8G08的通信。還需注意的是，由于WAV文件中的編碼是無(wú)符號(hào)數(shù)(即OOH是最低電平，F(xiàn)FH是最高電平)，而EPG323l的D／A輸入是有符號(hào)數(shù)(即80H是最低電平，7FH是最高電平)，所以程序中應(yīng)將WAV聲音數(shù)據(jù)的最高位取反后送到D／A。

　　3 聲音播放器軟件設(shè)計(jì)

　　在聲音播放器軟件設(shè)計(jì)之前，應(yīng)確定好K9G8G08中數(shù)據(jù)存放的格式。

　　首先是地址的格式。對(duì)K9G8G08內(nèi)部存儲(chǔ)單元操作的地址是分5個(gè)字節(jié)送出的，所以地址的格式最好是按這5個(gè)字節(jié)編排，如表l所示。

　　其次，根據(jù)NAND Flash的特點(diǎn)，其內(nèi)部是可能有壞塊(BAD BLOCK)存在的，但BLOCK 0一定是有效塊(VALID BLl3CK)，所以將壞塊信息存在BLOCK 0中。而K9G8G08的有效塊的個(gè)數(shù)在3 99* 096之間，也就是說(shuō)，壞塊的個(gè)數(shù)不大于100個(gè)。塊地址是由A19～A30決定的，為方便程序的編寫(xiě)，將塊地址分3個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，各個(gè)地址位的安排同表1中的第3、4、5個(gè)字節(jié)，將A12～A18位放O。壞塊信息存儲(chǔ)區(qū)最多占用300個(gè)字節(jié)。

　　第三，將聲音文件的目錄也存在BLOCK O中。目錄中的每條記錄占用64字節(jié)，其中前5個(gè)字節(jié)是聲音文件的起始地址，同樣為了方便程序的編寫(xiě)，每字節(jié)中包含的地址位與表1一致；后面的59個(gè)字節(jié)是聲音的名字，比如歌曲名等，用0表示結(jié)束，如表2所示。從表2中可知，目錄區(qū)最多有4 088個(gè)記錄，應(yīng)該能滿(mǎn)足一般的需要。

　　軟件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是對(duì)K9G8G08的操作。該聲音播放器中，程序只需對(duì)K9G8G08進(jìn)行讀操作即可。圖4為讀K9G8G08的軟件設(shè)計(jì)流程。

　　對(duì)K9G8G08讀操作的程序在定時(shí)器中斷中調(diào)用。對(duì)于22．05 kHz或44．1 kHz的WAV文件，定時(shí)器的中斷周期分別為45．4μs或22．7μs。對(duì)于單聲道、8 bit的WAV文件，其頻率可以在文件頭的第18H、19H字節(jié)得到，對(duì)于22．05 kHz和44．1 kHz的WAV文件，這兩個(gè)字節(jié)的值分別是22H、56H和44H、ACH，聲音信息從第2CH個(gè)字節(jié)開(kāi)始。需要說(shuō)明：1)寫(xiě)入命令的操作包括送出命令字和在寫(xiě)(WE)控制線(xiàn)上產(chǎn)生下降沿；2)寫(xiě)入5字節(jié)地址的操作要按表1中的順序向K9G8G08寫(xiě)入5個(gè)字節(jié)的地址。每個(gè)地址的寫(xiě)入包括送出地址和在寫(xiě)(WE)控制線(xiàn)上產(chǎn)生下降沿；3)輸入數(shù)據(jù)的操作包括在讀(RE)控制線(xiàn)上產(chǎn)生上升沿和讀入數(shù)據(jù)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　由于對(duì)不同型號(hào)的NAND Flash的操作有可能略有差別，所以如果要使播放器同時(shí)能支持多種NAND Flash，應(yīng)該在程序中讀取器件的ID，根據(jù)其ID選擇不同的讀NAND Flash的程序。三星NAND Flash的ID參見(jiàn)文獻(xiàn)。該聲音播放器具有盒式錄音機(jī)和復(fù)讀機(jī)的放音功能，如果增加錄音功能，它完全可以是盒式錄音機(jī)和復(fù)讀機(jī)的替代品，因?yàn)樗胁挥么艓Ш蜎](méi)有復(fù)雜的、易損壞的機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是前兩者不能相比的。只是由于8 bit的量化分辨率略低了點(diǎn)，體現(xiàn)在播放音量較小的語(yǔ)音時(shí)，有點(diǎn)“嗚嗚”的噪音，這是量化誤差引起的?？梢圆捎迷诓シ牌髦惺褂?6 bit的WAV文件的方法來(lái)解決，但這會(huì)增加一倍的數(shù)據(jù)量。也可以通過(guò)使用MP3文件的方法來(lái)解決，這時(shí)它就是一臺(tái)MP3播放器了，但需要增加MP3解碼器(或用軟件解碼)。這里所提出的對(duì)NAND Flash的使用方法簡(jiǎn)單易行，基本上類(lèi)似于對(duì)NOR Flash或SRAM的使用，存儲(chǔ)器的物理地址對(duì)程序員來(lái)講是透明的，易于理解和控制。