【文章內(nèi)容簡介】 C12C5A60S2 單片機的最小系統(tǒng)板，上面有芯片需要工作的最基本的資源：時鐘控制電路、復位電路與外圍電路相連的接口 。 系統(tǒng)框圖 圖 系統(tǒng)總框圖 功能實現(xiàn) SD 卡讀寫 FAT32 文件系統(tǒng) MP3 文件播放 鍵盤控制歌曲順序 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 3 頁 第二 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計及方案對比選擇 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 圖 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計方案對比選擇 根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合實際情況和設(shè)計成本要求，對系統(tǒng)主要部分的電路方案敘述如下。 MCU微控制器方 案對比選擇 方案一： MCU微處理控制器的種類很多，有 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89SXX 系列單片機，其中有 8 位的單片機，也有 16 位的單片機。 AT89S52 為 8 位的單片機，它是一種低損耗、高性能的 CMOS 微處理器，片內(nèi)有 8K 字節(jié)的存儲空間， 128 字節(jié)RAM、 4 個 8 位并口、 1 個全雙工串行口、 2 個 16 位定時 /計數(shù)器，尋址范圍 64K。并且 可以在線進行重復編程、快速擦除、快速寫入程序，能重復擦除 / 寫入 1000 次左右，數(shù)據(jù)保存時間為十年。 方案二： 也 是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AVR 單片機 ，它也有很多特點，比如： 體積小 、 集成度高 、 可靠性好 、 易于擴展 、高速度、低功耗 ； 功能強、 是一款 RISC 精簡指令集高速 8 位單片機 。但是其 市場價格較高，且已經(jīng)在 MCU市場夾縫中生存，且現(xiàn)在以有停產(chǎn)的趨勢 。 方案三：是宏晶科技公司生產(chǎn)的 STC12C5A60S2 單片機 ，它 是一款增強型單片機 。 是一款高性能的微處理器，片內(nèi)有 60K 字節(jié)的存儲空間、 1280 字節(jié) SRAM、 2個 16 位定時 /計數(shù)器，兼容普通 51 單片機，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，工作頻率是普通 51 單片機的 10 倍左右。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 4 頁 綜上所述，在本設(shè)計中，考慮到 程序生成的 HEX 文件較大，并且需要較快的執(zhí)行速度，選擇宏晶科技公司生產(chǎn)的 STC12C5A60S2 單片機為微處理控制器。 存儲設(shè)備模塊的對比選擇 方案一： CF 卡 是目前市場上歷史悠久的存儲卡之一 ,存儲容量大，成本低，兼容性好， 這些都是 CF 卡的優(yōu)點，缺點則是體積比較大。 方案二： Infineon 和 SanDisk 公司共同推出的一種全新的小巧的存儲卡產(chǎn)品 MMC 卡，但是它適用于對尺寸和電池續(xù)航能力要求很高的手機以及其他手持便攜設(shè)備。 方案三： SD 卡（ Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是 一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛的用于便攜式裝置上，例如數(shù)碼相機、個人數(shù)碼助理（ PDA）和多媒體播放器等。 SD 卡大小猶如一張郵票，重量只有 2克，但是確有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸 、極大的移動靈活性以及很好的安全性。 綜上所述，在本設(shè)計中，考慮到 SD 卡比較常用，而且有較成熟的讀取方法，所以選擇 SD卡作為本系統(tǒng)的存儲設(shè)備。 音頻解碼器的對比選擇 根據(jù) 以前使用音頻解碼器的經(jīng)驗，選用芬蘭的 VLSI 公司的 VS10xx 系列的芯片性價比最高，而且也有很成熟的驅(qū)動方案。通過查閱 VS10xx 系列的芯片 手冊，選擇VS1003 音頻解碼器。 VS1003 是一個單片 MP3/WMA/MIDI 音頻解碼器和 ADPCM 編碼器，它包含一個高性能，自主產(chǎn)權(quán)的低功耗 DSP 處理核 VS_DSP,工作數(shù)據(jù)存儲器，為用戶應用提供 5KB 的指令 RAM 和 的數(shù)據(jù) RAM。串行的控制和數(shù)據(jù)接口，4 個常規(guī)用途的 I/O 口，一個 UART，也有一個高品質(zhì)可變采樣率的 ADC 和立體聲DAC，還有一個耳機放大器和地線緩沖器。所以 VS1003 很符合本設(shè)計的基本需求功能。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 5 頁 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計電路及元件說明 本章根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖來對 每個部分的電路進行分析和說明，重點講述 MCU微控制器 STC12C5A60S SD 卡模塊電路 、 VS1003 音頻解碼器模塊電路、鍵盤 。該系統(tǒng)中 STC12C5A60S2 是核心器件，系統(tǒng)的設(shè)計原理圖如附錄二所示。 MCU微控制器 圖 STC12C5A60S2的塑封圖 STC12C5A60S2 的塑封 圖如圖 所示，它為 DIP40 雙列直插塑料封 STC12C5A60S2作為系統(tǒng)的核心控制元件，只有它能正常工作后才能使其它的元件進入正常工作狀態(tài)。因此，下面對 STC12C5A60S2 進行必要的說明， STC12C5A60S2 的管腳如圖 所示。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 6 頁 圖 STC12C5A60S2 的管腳圖 STC12C5A60S2 基本特性 1） VCC： 40 腳，供電電壓，一般接 +5V電壓。 2） GND： 20 腳，接工作 地 。 3） P0 口： 1～ 8 腳， P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。 作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。 在 flash 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部加上拉電阻，一般上啦電阻選 ～ 10K 為宜。本設(shè)計中用 的排阻對 P0 口進行上拉電平。 4） P1 口： 32～ 39 腳， P1 口是一個內(nèi)部 具有 上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 個 TTL 門電流。 P1 端口 寫入 “ 1” 后，被內(nèi)部上拉 電阻把端口拉高 ， 此時可以作為 作輸入 口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 7 頁 5） P2 口： 20～ 27 腳， P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR）時， P2 口送出高八位地址。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口 輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 6） P3 口： 10～ 17 腳， P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。 7） RESET： 9 腳， 復位輸入 端 。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 8） ALE/P__： 30 腳， 當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸 出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。 9） PSEN： 29 腳， 外部程序存儲器的選通信號。 10） EA———/VP： 31 腳，訪問外部程序存儲器控制信號 。 當 EA 為 低電平時，則 讀取外部程 序存儲器；當 EA 端 為 高電平時，則 讀取 內(nèi)部程序存儲器。 11） XTAL1： 19 腳， 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 如采用外部時鐘源 時， XTAL1 為輸入端 。 12） XTAL2： 18 腳， 振蕩器反相放大器的輸出端。 如采用外部時鐘源 時 ， XTAL2應懸空不接 。 STC12C5A60S2 的增強特性 1） 增強型 8051,1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 2） 工作頻率范圍： 035MHZ，相當于普通 8051 的 0420MHZ。 3） 用 戶應用程序空間 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K 字節(jié) …… 4） 片上集成 1280 字節(jié) RAM。 5） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP(在應用可編程 )，無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口 ()直接下載用戶程序， 數(shù)秒即可完成一片。 6） 有 EEPROM 功能。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 8 頁 7） 內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路 (外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K電阻到地 )。 8） 16 位定時器 T0/T1，沒有定時器 2 但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器。再加上兩個 PCA 模塊可再實現(xiàn) 2 個 16 定時器。 9） A/D 轉(zhuǎn)換， 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達 250K/S。 10)新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊。 SD卡模塊 SD 卡中文翻譯為安全數(shù)碼卡， SD 卡的技術(shù)是在 MultiMedia 卡 (MMC)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。目前市場上 SD 卡的品牌有很多，諸如： SanDisk,Kingmax,松下和 Kingston。SD 卡最大的特點就是通過加密功能，可以保證數(shù)據(jù)資料的安全保密。 圖 SD 卡實物圖 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 9 頁 SD 卡結(jié)構(gòu)與接口定義 圖 SD 卡結(jié)構(gòu)圖 圖 SD 接口與定義 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 10 頁 圖 SD 卡的引腳定義 SD 卡的驅(qū)動有兩種模式， SD 模式與 SPI 模式 。我們在用單片機對 SD 卡進行驅(qū)動的時候，通常使用 SPI 模式，一方面是因為 SPI 模式接口與操作方法比較簡單，易于實現(xiàn)；另一方面是因為本設(shè)計操作的數(shù)據(jù)量并不是很大，速度并不需要很快。 SD模式用于數(shù)據(jù)量比較 大，速度要求比較快的應用場合。 SD 模式操作起來比較復雜。SD 卡工作在 SPI 模式時，只需要 4 跟信號線，即 CS 片選、 DIN 數(shù)據(jù)輸入、 CLK 時鐘、 DOUT 數(shù)據(jù)輸出。而且 SD 卡的工作電壓在 。 SD 卡讀寫模塊原理電路圖 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 11 頁 圖 SD 卡讀寫模塊電路 圖 單片機 因為 SD 卡的工作電壓需要 ，而我們本設(shè)計電路主要采用 5V供電，所以需要采用 5V分壓， 選取 和 電阻串聯(lián)分壓 提供 。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 12 頁 VS1003音頻解碼器模塊 VS1003 是芬蘭的 VLSI 公司 VSXX 系列的芯片，是一個單片 MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和 ADPCM 編碼器。 VS1003 基本特性 ? 能解碼 MPEG1 和 MPEG2 音頻層 III(CBR+VBR+ABR)； WMA 5384kbps 所有流文件； WMV(PCM+IMA ADPCM)；產(chǎn)生 MIDI/SPMIDI文件 ? 對話筒輸入或線路輸入的音頻信號進行 IMA ADPCM 編碼 ? 支持 MP3 和 WAV流 ? 高低音控制 ? 單時鐘操作 ? 內(nèi)部 PLL 鎖相環(huán)時鐘倍頻器 ? 低功耗 ? 內(nèi)含高性能片上立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，兩聲道間無相 位差 ? 內(nèi)含能驅(qū)動 30 歐負載的耳機驅(qū)動器 ? 模擬，數(shù)字， I/O 單獨供電 ? 為用戶代碼和數(shù)據(jù)準備的 5,5KB 片上 RAM ? 串行的控制，數(shù)據(jù)接口 ? 可被用作微處理器的從機 ? 特殊應用的 SPI Flash 引導 ? 供調(diào)試用途的 UART 接口 VS1003 結(jié)構(gòu)框圖 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 13 頁 圖 VS1003 的結(jié)構(gòu)框圖 主要功能管腳介紹： XRESET: 復位 DREQ: 數(shù)據(jù)請求 XDCS: 數(shù)據(jù)片選 XCS: 命令片選 SCLK: 串行時鐘 SI: 串行輸入 SO: 串行輸出 MICP: 同 向差分話筒輸入 MICN: 同向差分話筒輸出 LEFT RIGHT: 左右聲道 LINEIN: 線入輸入 GBUF: 公共地緩沖器 RCAP: 基準濾波電容 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 14 頁 VS1003 電路原理圖 圖 VS1003 的電路原理圖 按鍵控制 本設(shè)計采用按鍵來 實現(xiàn) 歌曲的播放 功能 ， 增加上一首、下一首、播放、停止、音量增、音量減等功能，以實現(xiàn)人機交互功能。如圖 所示。 圖 按鍵部分的電路圖 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 15 頁 復位電路 在 STC12C5A60S2 單片機中的振蕩器運行時， RST————引腳上保持到少 2 個機器周期的高電平輸入信號，復位過程即可完成。根據(jù)此原理，本設(shè)計采用上電復位和按鍵復位嵌套在系統(tǒng)中，增強了系統(tǒng)的實用性。本設(shè)計具體的復位電路如圖 所示。 圖 復位電路連接圖 晶振電路 AT89S52 在工作時需要外部提供時鐘信號，因此，本設(shè)計選擇在其 18 腳 19 腳之間接上 的晶振，為單片機提供機器振蕩周期 ,并且方便使用串口助手調(diào)試模塊電 路的基本功能 。其 電路 連接圖 如圖 所示。 在 圖中，電容器 1C2， 1C3起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在 20～ 50pF。 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 16 頁 圖 晶振電路連接圖 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 17 頁 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 18 頁 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 程序設(shè)計框架 znFAT系統(tǒng)模塊介紹 文件系統(tǒng) 什么是文件系統(tǒng)？具體來說，文件系統(tǒng)為用戶與存儲設(shè)備的底層硬件交互抽象出來的一種操作接口，它負責為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉(zhuǎn)儲文件，控制文件的讀取，給用戶提供了一種機制， 方便用戶 很簡便的操作文件 以及快速簡潔的 找到磁盤上的位置，而且不用理會底層實現(xiàn)的復雜機制。 如果有了文件系統(tǒng)，我們就可以將數(shù)據(jù)組織為一個文件，給這些數(shù)據(jù)起一個名字（文件名），通過這個名字就可以訪問這些數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)會根據(jù)文件名為我們找到數(shù)據(jù)在磁盤中的位置。 FAT32 文件系統(tǒng) 圖 FAT32 文件系統(tǒng)整體概述 貴州大學本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 第 19 頁 ? MBR(master boot record)區(qū) 計算機在按下 power 鍵以后，開始執(zhí)行主板 bios 程序。進行完一系列檢測和配置以后。開始按 bios 中設(shè)定的系統(tǒng)引導順序引導系統(tǒng)。假 定現(xiàn)在是硬盤。 Bios 執(zhí)行完自己的程序后如何把執(zhí)行權(quán)交給硬盤呢。交給硬盤后又執(zhí)行存儲在哪里的程序呢。其實，稱為 mbr 的一段代碼起著舉足輕重的作用。 MBR(master boot record),即主引導記錄，有時也稱主引導扇區(qū)。位于整個硬盤的 0柱面 0磁頭 1扇區(qū) (可以看作是硬盤的第一個扇區(qū) )。 MBR 不隨操作系統(tǒng)的不同而不同，意即不同的操作系統(tǒng)可能會存在相同的 MBR，即使不同， MBR也不會夾帶操作系統(tǒng)的性質(zhì)。具有公共引導的特性。 ? DBR (DOS BOOT RECORD)區(qū) DBR 區(qū) (DOS BOOT RECORD)即操作系統(tǒng)引導記錄區(qū)的意思，通常占用分區(qū)的第 0扇區(qū)共 512 個字節(jié) (特殊情況也要占用其它保留扇區(qū)，我們先說第 0 扇 )。在這 512個