基于8位單片機和閃存的聲音播放器設計

提出一種在單片機系統(tǒng)中比較簡單地使用大容量NAND Flash存儲器的方法。與一般方法相比，編寫應用程序的程序員不需要掌握計算機文件系統(tǒng)的規(guī)范，只要按照NAND Flash的讀、寫、擦除等時序對其進行操作，把NANDFlash當成NOR Flash或SRAM來對待，這樣存儲器的物理地址對程序員而言是透明的，只需要在遇到壞塊(BAD BLOCK)時跳過該塊就可以了。

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

　　在從事單片機的教學中，由于學生對有聲音和顯示的制作項目更感興趣一些。因此，在學習過程中這種興趣往往能讓他們完成項目，獲得成就感，從而學到更多的東西。

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

　　1 聲音播放器總體設計方案

　　聲音播放器總體設計框圖如圖l所示。其中存儲器用于存放聲音文件，單片機將存儲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，從存儲器中將聲音文件的數(shù)據(jù)送到內(nèi)部的D／A轉換器，D／A的輸出通過功放放大后送到喇叭放出聲音。

　　其中，在選擇存儲器時，應滿足大容量、非易失、價格便宜等條件，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)。對于WAV格式的語音信息，8 bit、22．05 kHz、單聲道足以滿足一般需求，而對于音樂(歌曲)來講，44．1 kHz的采樣頻率也能達到較好效果，因此，該器件中能存儲約800 min語音或400 min音樂；顯示器采用122x32的LCM，內(nèi)置控制器為SEDl520，可以顯示14個漢字或28個英文字符；按鍵主要有放音／暫停、停止、上翻、下翻等，采用獨立式按鍵；單片機選用ELAN的EPG3231，該器件與5l系列單片機使用相似。

　　設計聲音播放器關鍵需要考慮：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U盤，通過計算機將數(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中完成與U盤的接口連接，并且要熟悉計算機的文件格式，這對單片機的初學者來講難度比較大。另一種是將聲音數(shù)據(jù)按順序存放在K9G8G08中(遇到壞塊時跳過即可)，這樣數(shù)據(jù)存放的物理地址對開發(fā)者來講是透明的，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，同樣可以在線下載數(shù)據(jù)。

　　2 聲音播放器硬件電路設計

　　2．1 K9G8G08簡介

　　K9G8G08是三星公司生產(chǎn)的1 Gx8 bit的NAND Flash存儲器，工作電壓為2．7～3．6 V，內(nèi)部存儲結構為(2 K+64)字節(jié)／頁×128頁／塊×4096塊。外部電路通過共用的8位I／0端口分時訪問其命令寄存器、地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，實現(xiàn)對器件讀、寫和擦除等操作。其存儲器的命名方式參見文獻。K9G8G08采用48引腳的TSOP封裝，其引腳配置如圖2所示。

　　2．2 EPG3231簡介

　　EPG323l是ELAN公司的8位RISC單片機，它有11個8位并行口、1個8位電流輸出型的D／A、1個10位逐次逼近型A／D、1個通用異步收發(fā)器UART、1個8，16，24位的串行外設接口SPI、3個定時器等，硬件資源豐富，還支持手寫識別、語音識別、ADPCM編解碼等功能。另外，EPG3-23l的速度較快，在時鐘頻率為16 MHz時，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。圖中沒有給出K9G8G08，只給出了EPG323l的基本電路及用網(wǎng)絡標號標出的與K9G8G08的連接引腳。K9G8G08的19引腳是寫保護，在實際電路中接+3．3 V(不保護)。需要說明的是，EPG323l的D／A輸出是48引腳(PBl)，輸出電流信號，需要將其輸出轉換為電壓信號再送至后續(xù)的功放。其中比較簡單且可行的做法是在PBl與地之間接一只電阻來完成電流與電壓的轉換，關鍵是該電阻的取值。若電阻阻值較大，輸出波形的上部會出現(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，寫一段測試程序，向D／A反復連續(xù)地送00～FFH的數(shù)值，通過示波器觀察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，這兩個端口適用按鍵的輸入／輸出(矩陣鍵盤時的掃描輸出)，速度比較慢，不能用于與K9G8G08的通信。還需注意的是，由于WAV文件中的編碼是無符號數(shù)(即OOH是最低電平，F(xiàn)FH是最高電平)，而EPG323l的D／A輸入是有符號數(shù)(即80H是最低電平，7FH是最高電平)，所以程序中應將WAV聲音數(shù)據(jù)的最高位取反后送到D／A。

　　3 聲音播放器軟件設計

　　在聲音播放器軟件設計之前，應確定好K9G8G08中數(shù)據(jù)存放的格式。

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

　　其次，根據(jù)NAND Flash的特點，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的有效塊的個數(shù)在3 99* 096之間，也就是說，壞塊的個數(shù)不大于100個。塊地址是由A19～A30決定的，為方便程序的編寫，將塊地址分3個字節(jié)存儲，各個地址位的安排同表1中的第3、4、5個字節(jié)，將A12～A18位放O。壞塊信息存儲區(qū)最多占用300個字節(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個字節(jié)是聲音文件的起始地址，同樣為了方便程序的編寫，每字節(jié)中包含的地址位與表1一致；后面的59個字節(jié)是聲音的名字，比如歌曲名等，用0表示結束，如表2所示。從表2中可知，目錄區(qū)最多有4 088個記錄，應該能滿足一般的需要。

　　軟件設計中最關鍵的是對K9G8G08的操作。該聲音播放器中，程序只需對K9G8G08進行讀操作即可。圖4為讀K9G8G08的軟件設計流程。

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

　　4 結束語

　　由于對不同型號的NAND Flash的操作有可能略有差別，所以如果要使播放器同時能支持多種NAND Flash，應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參見文獻。該聲音播放器具有盒式錄音機和復讀機的放音功能，如果增加錄音功能，它完全可以是盒式錄音機和復讀機的替代品，因為它有不用磁帶和沒有復雜的、易損壞的機械結構的優(yōu)點，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，體現(xiàn)在播放音量較小的語音時，有點“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文件的方法來解決，但這會增加一倍的數(shù)據(jù)量。也可以通過使用MP3文件的方法來解決，這時它就是一臺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NAND Flash的使用方法簡單易行，基本上類似于對NOR Flash或SRAM的使用，存儲器的物理地址對程序員來講是透明的，易于理解和控制。