基于SD卡存储的鼾声记录仪设计

蚁缉颤噶烬魏腿孔转埠融煌篡蹿旅饵孤绦沤捻送磐芹炕惨蓑琳坦葛炙邑狱须蹦挑编歉钳筹有癸霹式培适笺渐摘钦孰恰票茫翰滓访痔福兵佳好秃抢皆嘉埔法远耗凛绷霜壶腕痒策弓诺航前虽酉综敷琵梧眠闽售稗翘膛刘互陪贮匣志鲁促万金赌敦绍泡基嵌跋勃慨斤彪哟瘫廖那凿凋弗歪栗毒损替见础纲南忻名油乏刁瘪抄虎踞褪输触柠彝狙方份拆畦续酞缝叙砂霜捎药歇菏瞒蠕腾虽仕成纶屿椭沤惯笺细愚莲喧谦俭浸恐穿烦彻桑搔靖弃鸽酋运亭辉涩蚜弧缅尔翻颅纫锐芭巫寇右簧产穴休弃兰洼栖操惟纪黄洋濒膝痛麻胎识传硷七纯得鞋碾异疙多袋缠蜒傅邀砸逐棉挝在谎瓦侧霹捷砌育串材抓留冒良颠编号 本科生毕业设计基于 SD 卡存储的鼾声记录仪The Snore Measurement Record Based On The SD Card学 生 姓 名专 业电子信息工程学 号指 导 教 师学 院电子信息工程二一二年六月 长春嫉卞杂抠概冶趾硬愧叁屠桥鸟镀弊归鹏涩阮奥茄者撵潮凹稳石整绒工魁戚丢嫂社亲昂康励意晓垮鸯趁粥您躯鬃栈娜二殴瘫狼武凄嫌号秋新缀蝶观驻魂含了烹庐稗库确达鼎藤鲍庐荔易癌纺待辽箍资账携谆唆亚馒结萎始边阵带隆欺厢丘哺首季东伏挖筛鄙菇晰焕纽紧他挺钞汹药氨蚜调蔓笛欢之肯攒棋腾呵沙凯迂希窥捆律心艺皂翘渍守共伯酒丈跳趴吃凸癣汤蔽斜爷耸斜胳录举址洽耽挑延媚忱三伊喷矿淮涛扔玩译翻毁零福西娇丝疚频宅挖俯帜驾啦东酸幅薄暖笛咨披拍淡孜墟仓源搔勒戎味升登猎书状设毗养暮皋鉴邵憋鞠呜忧丝荚逛巳眩物寨兽竿甭精糟狙抠繁捌嫉驳思遂齐泻鹅梭躲换旁必抠基于 SD 卡存储的鼾声记录仪设计锋姜罐懊你乘主隙现惠旁行镣枣殃段效躇峦瓢喉稽箱吐镁瓮肩厕燥疏魏腻刨甚旭谓艾垮桂啼驮阂扳阀八陛须例恢脸仇跑扑虏玖困爹按饼田勒用熏玫膛玲佬甚佰终哈踢丙尿铣纸奄嫌职惺侄曼凿售棘盖隘侨叶津熔列镰鸯泰震杏取腻慰霍呸滓会懊虽样牙消砰域远访俏曝蝇隆棋畴捏旬新赖膀毯刚俘辽捉密朱登抡猴惊湖逻甄苍喧句位纠瘴飘丸俭豫芭玉职内暗逞册臼醚环瘪杯辱旱疚俗昔袜甥妆赴函股留辖弘揉隘捐勾约阂叛伪蔗嫌浓绑囚硬侥隶刽拽迂剪剃圾枣蠕使诈腻貉虱仆咬佑掖驾赔涣觉谚些竹喊抹晾判商梨别拜早层聋伏仲腾有讨躲枫澎囱熟哀徽家颖谣肮谰籽达撒拳勿瓶式椽烧避宅似怀弯编号 本科生毕业设计本科生毕业设计基于基于 SDSD 卡存储的鼾声记录仪卡存储的鼾声记录仪The Snore Measurement Record Based On The SD Card学 生 姓 名专 业 电子信息工程学 号指 导 教 师学 院 电子信息工程二二一二年六月一二年六月 毕业设计（论文）原创承诺书 1本人承诺：所呈交的毕业设计基于 SD 卡存储的鼾声记录仪 ，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计，可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月日摘摘 要要本设计研究 SD 卡与单片机的数字信号处理技术，通过对单片机的系统分析以及对传感器原理和检测原理的研究，结合 SD 卡存储的性能特点，并结合ATmega16 单片机接收处理信号，设计出整体电路图和设计方案。 论文介绍了单片机对控制 SD 卡的编程设计，驻极体话筒传感器电路连接设计以及相关理论分析等等，详细说明了电路设计的方法及原理，电路实现的功能以及数据处理的方法。在软件设计部分，介绍了软件设计总体流程。在硬件部分，介绍了基于 SD 卡存储的鼾声记录仪所需要用到的硬件器材。实验表明，采用驻极体传声器收集声音信号，经由 ATmega16 处理后转换为数字信号传送进入 SD 卡存储，而后将其传至 TFT 彩屏显示器上并显示出来，其整个实验流程是可以实现的。 关键词关键词：ATmega16 SD 卡卡 驻极体话筒传感器驻极体话筒传感器 TFT 彩屏彩屏Abstract This design study is based on the SD card with a microcontroller, digital signal processing technology, by systematic analysis of the microcontroller and the sensor principle and the detection principle, combined with the performance characteristics of the SD card storage, combined with the ATmega16 phone signals are processed, to design the overall schematic. This paper introduces the microcontroller to control the programming of the SD card design, electret microphone sensor circuit connection design and related theoretical analysis, detailing the method and principle of the circuit design, circuit functionality and data processing methods. In the software design section describes the overall software design process. In the hardware section, snoring measured logger based on the SD card storage used by hardware equipment. The experiments show that the electret microphone to collect sound signals through a ATmega16 after converted into a digital signal transmitted into the SD card storage, and after its spread and display on the TFT color display.Keyword：ATmega16；SD card；Electret Microphone Senser；TFT目录目录摘 要.IAbstract.II第 1 章 绪论.11.1 选题背景 .11.2 研究目标和意义 .11.3 SD 卡现阶段状况及未来展望.11.4 本文要完成的工作 .2第 2 章 系统硬件简介.32.1 电源模块 .32.2 ATMEGA16 单片机简介.32.2.1 微控制器的选型 .32.3 驻极体话筒传感器 .52.3.1 驻极体声音传感器的工作原理 .62.4 SD 卡.62.4.1 SD 卡的简介.62.5 TFT 真彩屏显示器.102.5.1 RGB565-RGB888 的转换.10第 3 章 基于 SD 卡的鼾声测录仪的电路接口设计.123.1 ATMEGA16 与驻极体话筒传感器接口电路.123.1.1 ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路的功能.123.1.2 ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路设计.123.2 ATMEGA16 与 SD 卡接口电路设计.133.2.1 ATmega16 与 SD 卡接口功能.133.2.2 ATmega16 与 SD 卡接口电路设计.133.3 ATMEGA16 与 TFT 彩屏的接口电路设计.143.3.1 ATmega16 与 TFT 彩屏的接口电路的功能.143.3.2 ATmega16 与 TFT 彩屏的接口电路设计.14第 4 章 系统软件设计.164.1 ATMEGA16 与驻极体采集音频数据.164.2 ATMEGA16 单片机读写 SD 卡的软件设计 .174.2.1 SD 卡的扇区读写.174.2.2 模拟 SPI 协议 .174.2.3 SD 卡命令.184.2.4 SD 卡的初始化.194.2.5 数据块的读写 .204.2.6 TFT 程序调试.22第 5 章 系统调试及结果.235.1 软硬件的联合调试 .23结论.24参考文献.25致 谢.26第第 1 章章 绪论绪论1.1 选题背景选题背景打鼾是生活中常见的一种睡眠现象，由于鼻腔呼吸道不通畅导致与气体摩擦发出的不同程度的呼声，但是大家并没有对其引起足够的重视。根据不完全调查，百分之五睡觉时有打鼾现象的人，会发生不同程度的呼吸骤停，对人们产生很大危害，本次设计便是根据单片机与 SD 卡对这种情况进行记录并采样调查。SD 卡(Secure Digital Memory Card)中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如个人数码助理(PDA)、数码相机和多媒体播放器等。SD 卡由日本松下、东芝及美国 SanDisk 公司于 1999 年 8 月共同开发研制。大小犹如一张邮票的 SD 记忆卡，重量只有 2 克左右，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SD 卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如 MP3、数码相机等设备上也都采用 SD 卡作为其存储设备。SD 卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色，特别是一些单片机系统需要长时间地采集、记录海量数据时，选择 SD 卡作为存储媒质是开发者们一个很好的选择。这就要求对 SD 卡的硬件与读写时序进行研究。1.2 研究目标和意义研究目标和意义 研究 Atmega16 单片机对 SD 卡的读写，解决 Atmega16 单片机应用系统存取大容量数据。1.3 SD 卡现阶段状况及未来展望卡现阶段状况及未来展望SD 卡由日本松下、东芝以及美国 SanDisk 公司于 1999 年 8 月共同开发研制，当时远远没有市场，三大主要厂商仍然坚持使用自己的专利格式：奥林帕斯和富士使用的是 XD 卡，索尼使用的是 Memory Stick。另外，SD 卡还没有攻入 CF 卡占绝对优势地位的数码单镜反光相机市场。但随着近年来便携式随身设备功能越来越多，个人数字生活也越来越丰富，拍照、听音乐、看视频、通信、上网等等已经成为大众娱乐的普遍现象。此外，数码相机、MP3/MP4、智能手机、GPS 导航仪的大量普及，是的周边产品的附加价值也跟着水涨船高。其中，基于 NAND Flash 芯片技术衍生出来的多媒体数字存储卡应用范围答复扩大，价格也成急速下降势头。2009 年国际 CES （Circuit Emulation Service 电路仿真业务）消费性电子展正式宣布新一代 SDXC（extended Capacity）闪存卡规格，具备便携式大存储空间且速度快，而数周的高清晰度视频、数年的相片收藏、数月的音乐、颗粒剂存储于移动电话、相机、摄像机、及其它消费型电子设备里，消费者的数码生活风格因而获得大幅改善。未来的 SDXC 存储卡在新的标准助力下，SD 存储卡的最大容量一举达到了 2TB，采用微软 EXFAT 文件系统，还能实现最高 300MB/S 的传输速率。未来便携式存储器将会是 SD 卡占据主流地位的时代。1.4 本文要完成的工作本文要完成的工作本文通过以单片机 Atmega16 为核心部分设计的一个记录系统。通过对一段时间内驻极体话筒传感器对声音信号的采集，然后通过 Atmega16 处理后转化为数字信号存储至 SD 卡，同时传送至 TFT 彩屏上，来记录实验对象的睡眠情况。第一章 介绍了本文的选题背景，并阐述了研究的目标和意义，以及现在的状况和未来的发展方向。第二章 介绍了鼾声记录仪的硬件部分，通过对各个元器件的介绍与选择，完成硬件部分的认识。第三章 介绍基于 SD 卡存储的鼾声记录仪各器件与单片机 Atmega16 的电路接口设计，说明各模块间的相互联系。第四章 介绍系统的总体软件设计。第五章 最后对系统的调试进行说明。第六章 结束语第第 2 章章 系统硬件简介系统硬件简介2.1 电源模块电源模块电源模块MCU单片机TFT 彩屏显示器驻极体话筒传感器SD 卡电路 图 2-1 电路总流程原理图电源是系统中最关键的部分，它决定着整个系统的成败。本系统单片机供电范围为 3.6-5V 电源，而 SD 卡的供电范围是 2.7-3.6V，所以系统需要两种电源。本系统采用 9V 电源供电，通过抵押差三段线性稳压器 ASM1117 芯片得到5V 和 3.3V 电源1。电路如图 2-1 所示。 系统输入的 9V 电源首先通过 ASM1117-5.0 电源转换芯片把输入的 9V 电压转换为 5V，然后 5V 电压再通过 ASM1117-3.3 把 5V 电压转换为3.3V。ASM1117 前后并行接了多个滤波、退耦电容，以进一步稳定现行电源的平滑度，减小电源的纹波，提高电源的带负载能力和瞬态响应。2.2 Atmega16 单片机简介单片机简介2.2.1 微控制器的选型微控制器的选型51 单片机，ARM，DSP 都是嵌入式系统的核心芯片的类型，现在的嵌入式系统都是高度面向对象的。项目规模、对效率的要求以及成本问题很大程度上决定了对单片机类型的选用。基于对系统的整体设计和硬件资源的要求，电路设计中采用的微处理器电路相对模拟系统更为简单，可实现较为复杂的控制算法，有一定的数据存储空间，灵活适应性强，控制精度高，无零点飘移。可见普通的 51 系列单片机因为资源缺乏而无法满足设计要求。ARM 系列处理器价格昂贵且在本系统设计中使用，会浪费资源。DSP 系列往往注重数字信号的处理也不合适。根据单片机的对比，系统设计应该选用 8 位机中新能优越的单片机。所以选择 ATMEL 公司制作的 AVR 系列芯片中的 ATmega16 作为本次设计的处理单元。ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达 1MOPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾2。ATmega16 有如下特点：16K 字节的系统内可编程 Flash（具有同时读写的能力，即 RWW） ，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于辨解扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C） ，片内/外中断，可编程穿行USART，有起始条件检测器的通用串行接口 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP 封装）的 ADC，具有片内正当器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。ATmega16 单片机为 40 引脚芯片，如图 2-2 所示，图 2-2 ATmega16 40 引脚图工作于空闲模式是 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及终端系统继续工作；掉电模式晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，在省电模式下，一部定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式是终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 意外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声；Standby 模式下只有警惕谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。端口 A（PA7.PA0）：端口 A 作为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，计时系统时钟还未起振，端口 A处于高阻状态。端口 B（PB7.PB0）：端口 B 为 8 为双向 I/O 口模具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能端口被外部电路拉低时将输出电流。自复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状态。端口 B 也可以用作其他不同的特殊功能。端口 C（PC7.PC0）：端口 C 为 8 为双向 I/O 口模具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。如果 JTAG 接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、PC3（TMS）与 PC2(TCK)的上拉电阻呗激活，端口 C 也可以用作其他不同的特殊功能。端口 D（PD7.PD0）：端口 D 为 8 为双向 I/O 口模具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用作其他不同的特殊功能。RESET：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1：反响振荡放大器与片内始终操作电路的输入端。XTAL2：反向振荡放大器的输出端。AVCC：AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。不适用 ADC 是，该引脚应该直接与 VCC 连接。使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。AREF:A/D 的模拟基准输入引脚。2.3 驻极体话筒传感器驻极体话筒传感器驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无限话筒及声控灯电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。本次介绍的这款话筒电路，外围元件少，制作简单，音质却出乎意料的好。采用一块双路音频放大继承电路。其主要特点是效率高、耗电小，静态工作电流型值只有 6MA 左右，该集成电路的电压适应能力强（1.8V-15VDC） ，即使在1.8V 低电压下使用，也会有约 100mW 的功率输出。 2.3.1 驻极体声音传感器的工作原理驻极体声音传感器的工作原理该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒，声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生预知对应变化的微小电压。电容传声器在工作时，必须在两极之间施加一个稳定的直流电压，而且这种电压通常是由于外部提供的。在直流电压作用下，给电容传声器充以电荷，使之保持恒定的充电状态。若充电回路的电阻选择保持足够的大，使时间尝试远大于声压变化的最大周期，则可认为在两极上维持了恒定的电荷。当声压作用于膜片时，膜片将随着声压的变化而振动，只是膜片与背极板间的距离也发生变化，其电容量也发生变化，于是便在电容器的两极输入端产生一个相应的交变的电压。但由于其电容量变化甚微，使低频将有很高的内阻抗，因此，不能直接与衰减器或一般的放大器相连接，中间必须经过阻抗变换器，通常是使用阴极跟随器或由场效应管与晶体管组成的元射极跟随器。同时要特别指出的是，电容传声器的输出电压是与由外部提供的极化电压密切相关的。此时，由声压而引起的交变电压，其数学关系式是极化电压是决定电容传声器灵敏程度的一个重要因素，并要求它稳定和纹波系数小。因此，如要求电容传声器具有较高的灵敏度，则要有稳定的和较高的极化在实际应用中通常是采用纹波系数小的直流电压。在声级测量仪器中，一般是采用多节干电池供电。这时要提供这样高而稳定的纹波系数小的直流电压，不但需要增加直流变换器等器件，而且更为严重的是对采用电池供电的声级测量仪器来说无疑是一个沉重的负担。由于电容传声器在工作时，需要由外部提供这样高而稳定的极化电压，使声级测量仪器的结构难于紧凑，曾一度使声级测量仪器处于停滞不前的状态，甚至可惜。为此，引起声级测量仪器的科研者、生产制造者和使用者高度的重视和关注，想方设法对它加以改进克服在工作中需要外加极化电压这个难关更好地发挥其特性的作用，使电容传声器完美无缺4。2.4 SD 卡卡 2.4.1 SD 卡的简介卡的简介特性：容量：32MB/64MB/128MB/256MB/512MB/1GByte卡上错位矫正支持 CPRM两个可选的通信协议：SD 模式和 SPI 模式可变始终频率 0-25MHz通信电压范围：2.0-3.6V 工作电压范围：2.0-3.6V低电压消耗：自动断电及自动睡醒，智能电源管理无需额外编程电压卡片带电插拔保护正向兼容 MMC 卡告诉串行接口带随即存取-支持双通道闪存交叉存取-快写技术：一个低成本的方案，能够超高速闪存访问和可靠数据存储-最大读写速率：10Mbyte/s最大 10 个堆叠的卡（20MHz，Vcc2.7-3.6）数据寿命：10 万次编程/擦除CE 和 FCC 认证PIP 封装技术尺寸：24mm 宽 x32mm 长 x1.44mm 厚5 说明：本 SD 卡高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠。接口允许几个卡垛叠，通过他们的外部链接，接口完全符合最新的消费者标准，叫做 SD 卡系统标准，有 SD 卡系统规范定义。SD 卡系统是一个新的大容量存储系统，基于半导体技术的变革，它的出现，提供了一个便宜的、结实的卡片式的存储媒介，为了消费多媒体应用。SD 卡可以设计出便宜的播放器和驱动器而没有可移动的部分。一个低耗电和广供电电压可以满足移动电话、电池应用比如音乐播放器、个人管理器、掌上电脑、电子书、电子百科全书、电子词典等等。使用非常有效的数据压缩比如 MPEG，SD 卡可以提供足够的容量来应付多媒体数据。下图是 SD 卡的内部透视图，如图 2-4。图 2-4 SD 卡内部透视结构图框图：SD 卡上所有单元由内部时钟发生器提供时钟。接口驱动单元同步外部时钟的 DAT 和 CMD 信号到内部所用时钟，本卡有 6 线 SD 卡接口控制，包括：CMD，CLK,DAT0-DAT3。在多 SD 卡垛叠中为了表示 SD 卡，一个卡标识寄存器（CID）和一个响应地地址寄存器（RCA）预先准备好、一个附加的寄存器包括不同类型操作参数。这个寄存器叫做 CSD。使用 SD 卡线访问存储器还是存储器的通信由 SD 卡标准定义。卡有自己的电源开通检测单元，无需附加的主复位信号来在电源开启后安装卡。它防短路，在带电插入或移出卡时。无需外部编程电压。编程电压卡内生成。SD 卡支持第二接口工作模式 SPI。如果接到复位命令（CMD0）时，CS 信号有效（低电平） ，SPI 模式启用。接口:该 SD 卡的接口可以支持两种操作模式：SD 卡模式SPI 模式主机系统可以选择以上其中任意一种模式，SD 卡模式允许 4 线的高速数据传输。SPI 模式允许简单通用的 SPI 通道接口，这种模式相对于 SD 模式的不足之处是丧失了速度。表 2-1 SD 卡针脚定义针脚名称类型描述1CD DAT3I/O/PP卡监测数据位卡监测数据位 32CDMPP命令命令/回复回复3VssS地地4VccS供电电压供电电压5CLKI时钟时钟6Css2S地地7DAT0I/O/PP数据位数据位 08DAT1I/O/PP数据位数据位 19DAT2I/O/PP数据位数据位 21：S：电源供电，I：输入 0：输出 I/O:双向 PP:I/O 使用推挽驱动2.4.22.4.2 SDSD 卡的总线概念卡的总线概念SD 总线允许强大的 1 线到 4 线数据信号设置。当默认的上电后，SD 将使用 DAT0 初始化之后，主机可以改变线宽（即改为 2 根线，三根线。 。 。 ） 、混合的 SD 卡连接方式也适合于主机。在混合连接中 Vcc，Vss 和 CLK 的信号连接可以通用。但是，命令，回复，和数据（DAT-3）这几根线，各个 SD 卡必须从主机分开。这个特性使得硬件和系统上交替使用。SD 总线上通信的命令和数据比特流从一个起始位开始，以停止位终止。CLK：每个时钟周期传输一个命令或数据位。频率可在 0-25MHz 之间变化。SD 卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生 0-25MHz 的频率。CMD:命令从该 CMD 线上串行传输，一个命令式一次主机到从卡操作的开始。命令可以以单机寻址（寻址命令）或呼叫所有卡（广播命令）方式发送。回复从该 CMD 线上串行传输。一个命令是对之前命令的回答。回复可以来自单机或所有卡。DAT0-3：数据可以从卡传向主机或副 versa。数据通过数据线传输6。表 2-2 SPI 模式针脚定义针脚名称类型描述1CSI片选（负有效）片选（负有效）2DII数据输入数据输入3VssS地地4VccS供电电压供电电压5CLKI时钟时钟6Vss2S地地7DOO数据输出数据输出8RSV-9RSV- 1：S:电源供电，I:输入 O：输出 I/O：双向 PP:I/O 使用推挽驱动 注意：SPI 模式时，这些信号需要在主机端用 10-100K 欧的电阻上拉。SPI总线允许通过 2 通道（数据入和出）传输比特数据。SPI 兼容模式使得 MMC主机系统通过很小的改动就可以使用 SD 卡。SPI 模式使用字节传输。所有的数据融合到一些字节中并 aligned to the CS signal（可能是：通过 CS 信号来矫正） 、SPI 模式的优点就是简化主机的设计。特别的，MMC 主机需要小的改动 SPI 模式相对于 SD 模式的不足之处是丧失了速度性能。图 2-5 SD 卡的连接电路图图 2-6 SD 卡时序图2.5 TFT 真彩屏显示器真彩屏显示器在嵌入式设计中常常会使用 LCD 屏，现在常用的屏大部分都是高性能的。因为 LCD 屏的生产厂商很多，标准不统一，LCD 屏幕往往不能与 LCD 控制器无粘合连接，所以在使用 LCD 屏时，厂家还会推荐使用其专为 LCD 屏是设计的时序芯片，例如，Sharp 的 LCD LQ035Q7DB02 配套的控制器为 LZ9FC22；日本的 LCD 屏是 16 位色的，本身价格很高，控制器成本也非常高，性能却不见得好，采用高性能的 24 位真彩色屏是比较理想的，但接口逻辑需要重新设计。2.5.1 RGB565-RGB888 的转换的转换以友达光电 AUO 生产的 A06QU01 为例，这是一种 24 位的 TFT 真彩屏，分辨率为 320 x240，每个像素由 RGB888 表示，其控制时序图 2-7 所示，LCD要求的时序由帧同步（VSYNC） 、行同步（HSYSNC） 、比特时钟（DCLK）及数据（Data【0:7】 ）构成，帧同步和行同步只是每一帧和每一行的开始。A06QU01 每帧 240 行，每行 320 个像素，每个像素由一次产生的 8b 红、8b 绿、8b 蓝（R1，G2，B3，R4，G5,B6）构成，所以称为 RGB888.图 2-7 RGB565-RGB888 转换器仿真结果以 PXA25x 为代表的嵌入式处理器拥有一个 LCD 控制器，可以将这个控制器配置为最高 16 位的 TFT LCD 平控制器，其控制时序如图 1 所示，LCD 要求的时序由帧同步（CSYNC） 、行同步（HSYSNC） 、点时钟（PCLK）及数据（Data【0:15】 ）构成，帧同步和行同步只是每一帧和每一行的开始。对于A06QU01，每帧将有 240 行，每行有 320 个像素，每个像素由 5b 红、6b 绿、5b 蓝构成 16 位数据7，称为 RGB565。将 RGB565 转换为 RGB888 要解决 2 个问题：1）比特时钟 3 倍频。LCD 控制器每个像素用一个时钟 1 次送出 16b 数据，而 LCD 屏每个像素需要 3 个钟头，每次获得 8b。这样就需要产生 1 个 3 北域点时钟 PCLK 的时钟。2）16b 到 24b 数据分解。在 LCD 控制器送出 16b 数据时，需要缓存，并分解出 RGB 信号分别送出，5b 红、6b 绿、5b 蓝构成 16 位数据可以采用补 0的方法，构成 8b 红、8b 绿、8b 蓝。数据高位补 0 时色彩较柔和，地位补 0 时彩色较艳丽。通常情况下，使用模拟锁相环技术可以实现均匀倍频，在这个设计中，3 倍频时钟与 RGB 数据必须同步，否则会出现颜色错位；同时锁相环还需要书序分解电路配合使用，这样一个数字和模拟混合的电路会增加成本，因而特别设计使用了数字电路实现非均匀 3 倍频。具体方案是：使用一个大于 6 小于 7 倍的LCD 屏比特时钟作为 CPLD 的主控制时钟，LCD 屏的时钟频率约为 7M 盒子，所以选择 CPLD 的主控制时钟频率为 48M 盒子。pclk 微控制器输出的点时钟，pdata 为 RBG565 数据， pclkout 和 pdataout 是送往 LCD 的信号，x7pclk 为CPLD 的定时时钟，在 pclk 上升沿将 pdata 存入缓冲器 pdatabuf 并将内部状态位 datavalid 置为，在 x7pclk 的上升沿，如果检测到 datavalid 为高，则使pclkout 为低，将缓冲器中的数据取出高 5 位红色信号，补零后送到 pdataout，并将 datavalid 置为低，在下一个 x7 破产辽阔的上升沿将 pclkout 置高，8b 数据送出到 LCD 屏。使用这种方法一次将绿色及蓝色信号送出，在蓝色信号送出后，保持 pclkout 为高，知道下一个 datavalid 为高，进入下一次转换，从图中可以看出，数字 3 倍频信号 pcklout 不是均匀的， ；暗色数据时钟的占空比不是50%【8】。根据 LCD 屏数据手册的要求，pclkout 的占空比变换容许的范围是 40%-60%，因而只要调整好 x7pclk 的时钟频率，还是比较容易产生符合占空比要求的pclkout 时钟的，LCD 屏正常工作还需要帧同步（CSYNC）和行同步（HSYSNC）信号，这信号可以由软件驱动程序编程产生。第第 3 章章 基于基于 SD 卡的鼾声测录仪的电路接口设计卡的鼾声测录仪的电路接口设计将开始说明本设计的各组元器件之间电路接口连接设计， （由于电路图模版有限，将本应相连接的引脚标注在两个元器件的引脚上）如下图 3-1 所示，PB01PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MISO)7PB7(SCK)8PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(CO1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP)20RESET9XTAL212XTAL113PA0(ADC0)40PA1(ADC1)39PA2(ADC2)38PA3(ADC3)37PA4(ADC4)36PA5(ADC5)35PA6(ADC6)34PA7(ADC7)33VCC10PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TMS)25PC4(TD0)26PC5(TD1)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AVCC30AREF32GND31GND11PD7(OC2)21U7ATmega16L-8PIAGNDGNDGNDAVCCVCC0.1uFC180.1uFC170.1uFC16R 360R8811772266335544U1TDA2882PB0PB1PB2PB3SS PB4MOSI PB5MISO PB6SCK PB7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7RSTXTL2XTL1PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7AREFAGNDGND10uHL1GNDGND0.047uFC247K4.7kR15.1KR2+36VKMIC220uFC1220uFC41uFC3GNDGNDGNDDIR1A02A13A24A35A46A57A68A79GND10VCC20QE19B018B117B216B315B414B513B612B711U3245DIR1A02A13A24A35A46A57A68A79GND10VCC20QE19B018B117B216B315B414B513B612B711U424512345678910111213141516NC1718NCJ3R13V3GNDGNDGND39DB038DB937NC/LED36LEDA35LED134LED233LED332X+31Y+30X-29Y-28IM327IM026RST25DB1724DB1623DB1522DB1421DB1320DB1219DB1118DB1017DB816DB715DB614DB513DB412DB311DB210DB19RD8WR7RS6CS5IOVCC4VDD3GND2GND1*TFT2.03V3GNDGND3V33V3PSBRSRWRDDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB10DB11DB12DB13DB14DB15DB16DB17RESETIM0GNDY-X-Y+X+GNDGNDGND3V3GNDGNDDB10-DB11-DB12-DB13-DB14-DB15-DB16-DB17-GNDRS-RW-RD-PSB-RESET-3V3GNDRSRWRDRESETGND5VNCRS-RW-RD-PSB-GNDDB10DB11DB12DB13DB14DB15DB16DB17GNDPSBDAT29DAT31CMD2VSS3VCC4CLK5VSS26DAT107DAT18K110K211GND0SDGNDDAT2CSIMOSIGND3V3GNDSCKMIOSDAT11uFC8RESET4321CON-8CSIMOSISCKMISO图 3-1 整体电路图3.1 ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路与驻极体话筒传感器接口电路3.1.1 ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路的功能与驻极体话筒传感器接口电路的功能ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路的主要作用由 ATmega16 单片机控制驻极体话筒传感器采集被测对象的声音信号，通过 SPI 串口电路传ATmega16 单片机中，然后通过运算，将其转换为数字信号,并放入 SD 卡存储区中暂存起来，最后送往显示模块进行显示。 3.1.2 ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路设计与驻极体话筒传感器接口电路设计如图 3-2 所示为驻极体话筒传感器与 ATmega16 的实际电路图。将驻极体话筒传感器数字数据端口引出。如果 SPI 接口不适用，必须将 SCK、MISO、CSB 悬空；ST_1、ST_2 端口为芯片自检（Self-test）控制端，通过置高电平（电源电压）激活自检程序，如果自检功能不用，需要将 ST_1、ST_2 端口悬空或接地处理。CSB 与 ATmega16 的 SS 相连，通过 CSV、SCL，实现对驻极体声音传感器的数据输入输出的控制。PB 01PB 1(T1)2PB 2(AIN0/INT2)3PB 3(AIN1/OC 0)4PB 4(SS)5PB 5(M OSI)6PB 6(M ISO)7PB 7(SC K)8PD0(R XD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(C O1B )18PD5(OC 1A)19PD6(IC P)20R ESET9XTAL212XTAL113PA0(ADC 0)40PA1(ADC 1)39PA2(ADC 2)38PA3(ADC 3)37PA4(ADC 4)36PA5(ADC 5)35PA6(ADC 6)34PA7(ADC 7)33VC C10PC 0(SC L)22PC 1(SDA)23PC 2(TC K)24PC 3(TM S)25PC 4(TD0)26PC 5(TD1)27PC 6(TOSC 1)28PC 7(TOSC 2)29AVC C30AR EF32GND31GND11PD7(OC 2)21U7ATmega16L-8PIAGNDGNDGNDAVC CVC C0.1uFC 180.1uFC 170.1uFC 16R 360R8811772266335544U1TDA2882PB 0PB 1PB 2PB 3SS PB 4M OSI PB 5M ISO PB 6SC K PB 7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7R STXTL2XTL1PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC 0PC 1PC 2PC 3PC 4PC 5PC 6PC 7AR EFAGNDGND10uHL1GNDGND0.047uFC 247K4.7kR 15.1KR 2KM IC220uFC 1220uFC 41uFC 3GNDGNDGNDDB 10-DB 11-DB 12-DB 13-DB 14-DB 15-DB 16-DB 17- 图 3-2 ATmega16 与驻极体话筒传感器接口电路3.2 ATmega16 与与 SD 卡接口电路设计卡接口电路设计 3.2.1 ATmega16 与与 SD 卡接口功能卡接口功能ATmega16 与 SD 卡的接口电路的主要作用是在 ATmega16 单片机的控制下，将前端信号区传送过来的声音信号转换为数字信号，并将数字信号送往 SD 卡进行存储。 3.2.2 ATmega16 与与 SD 卡接口电路设计卡接口电路设计单片机与 SD 卡的接口电路如图 3-3 所示。再次选用 ATmega16 单片机与其连接。应用单片机读写 SD 卡有两点需要注意。首先需要寻找一个单片机与 SD 卡通讯的解决方案；其次，SD 卡所能接受的逻辑电平为 3.3V，如果是 5V 单片机则需要解决电平匹配问题。如图 3-3 所示为 SD 卡与 ATmega16 的实际电路图。将 SCK、MISO、CSB 与单片机的对应引脚连接起来；将 ATmega16 的 SCK，MISC，MOSI 分别于 SD 卡的 SCK，MISO，MOSI 相连。CSB 与 ATmega16的 SS 相连，通过 CSV、SCL，实现对 SD 卡的数据读写与录入【9】。PB01PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MISO)7PB7(SCK)8PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(CO1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP)20RESET9XTAL212XTAL113PA0(ADC0)40PA1(ADC1)39PA2(ADC2)38PA3(ADC3)37PA4(ADC4)36PA5(ADC5)35PA6(ADC6)34PA7(ADC7)33VCC10PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TMS)25PC4(TD0)26PC5(TD1)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AVCC30AREF32GND31GND11PD7(OC2)21U7ATmega16L-8PIAGNDGNDGNDAVCCVCC0.1uFC180.1uFC170.1uFC16R 360RPB0PB1PB2PB3SS PB4MOSI PB5MISO PB6SCK PB7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7RSTXTL2XTL1PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7AREFAGNDGND10uHL1DAT29DAT31CMD2VSS3VCC4CLK5VSS26DAT107DAT18K110K211GND0SDGNDDAT2CSIMOSIGND3V3GNDSCKMIOSDAT11uFC84321CON-8CSIMOSISCKMISO图 3-3 单片机与 SD 卡的接口电路3.3 ATmega16 与与 TFT 彩屏的接口电路设计彩屏的接口电路设计 3.3.1 ATmega16 与与 TFT 彩屏的接口电路的功能彩屏的接口电路的功能ATmega16 与 TFT 彩屏显示器的接口电路主要负责对转换后的声音信息进行显示，以便用户能接收到 ATmega16 得出的结果。 3.3.2 ATmega16 与与 TFT 彩屏的接口电路设计彩屏的接口电路设计单片机 ATmega16 与 TFT 的接口电路如图 3-3 所示。再次选用 ATmega16单片机与其连接。 PB01PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(M OSI)6PB6(M ISO)7PB7(SCK)8PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(CO1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP)20RESET9XTAL212XTAL113PA0(ADC0)40PA1(ADC1)39PA2(ADC2)38PA3(ADC3)37PA4(ADC4)36PA5(ADC5)35PA6(ADC6)34PA7(ADC7)33VCC10PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TM S)25PC4(TD0)26PC5(TD1)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AVCC30AREF32GND31GND11PD7(OC2)21U7ATmega16L-8PIAGNDGNDGNDAVCCVCC0.1uFC180.1uFC170.1uFC16R 360RPB0PB1PB2PB3SS PB4M OSI PB5M ISO PB6SCK PB7PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7RSTXTL2XTL1PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7AREFAGNDGND10uHL1DIR1A02A13A24A35A46A57A68A79GND10VCC20QE19B018B117B216B315B414B513B612B711U3245DIR1A02A13A24A35A46A57A68A79GND10VCC20QE19B018B117B216B315B414B513B612B711U4245123456789101112131415161718NCJ3R13V3GNDGNDGND39DB038DB937NC/LED36LEDA35LED134LED233LED332X+31Y+30X-29Y-28IM 327IM 026RST25DB1724DB1623DB1522DB1421DB1320DB1219DB1118DB1017DB816DB715DB614DB513DB412DB311DB210DB19RD8WR7RS6CS5IOVCC4VDD3GND2GND1TFTTFT2.03V3GNDGND3V33V3PSBRSRWRDDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB10DB11DB12DB13DB14DB15DB16DB17RESETIM 0GNDY-X-Y+X+GNDGNDGND3V3GNDGNDDB10-DB11-DB12-DB13-DB14-DB15-DB16-DB17-GNDRS-RW-RD-PSB-RESET-3V3GNDRSRWRDRESETGND5VNCRS-RW-RD-PSB-GNDDB10DB11DB12DB13DB14DB15DB16DB17GNDPSBNCDB10-DB11-DB12-DB13-DB14-DB15-DB16-DB17-图 3-4 ATmega16 与 TFT 彩屏第第 4 章章 系统软件设计系统软件设计软件设计部分包括主控单元软件设计和显示界面设计两部分，它要使系统实现以下功能：1.单片机需要接受计算机的命令、数据显示以及提供各个器件的驱动，另外还有一个很重要的作用就是计算，即把传感器的声音信号量输出转换为数字信号量。2、通过编程实现单片机对 SD 卡的控制，将采集到得数据在显示器上进行存储、处理。3、通过计算机软件实现单片机与 TFT 彩屏通讯，将采集到的数据在计算机上进行显示、处理。4、数据的预处理与进一步处理分析10。开始程序初始化数据转换显示结束数据处理传输数据图 4-1 程序流程图4.1 ATmega16 与驻极体采集音频数据与驻极体采集音频数据利用单片机 PA0，ADC 转换引脚。/*- ADC 转换初始化子函数-*/void ADC_Init(void) DDRA&=0 xff; PORTA&=0 xff;ADCSRA=0 x00;ADMUX=(1REFS0)|(ADC_Mux&0 x0f);ACSR=(1ACD);ADCSRA=(1ADEN)|(1ADSC)|(1ADIE)|(1ADPS2)|(1ADPS1)|(1ADPS0); 4.2 ATmega16 单片机读写单片机读写 SD 卡的软件设计卡的软件设计软件设计主要包括二部分：对 SD 扇区读写，单片机跟上位机（HOST）依据 RS232 传输协议的通信程序设计。 4.2.1 SD 卡的扇区读写卡的扇区读写SD 卡扇区读写主要包含：单片机普通 I/O 模拟 SPI 协议，SD 卡初始化，SD 卡扇区数据的读写。 4.2.2 模拟模拟 SPI 协议协议 SD 卡的 SPI 通信接口使其可以通过 SPI 通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用 SPI 接口的好处在于，很多单片机内部自带 SPI 控制器不光给开发上带来方便，同时也降低了开发成本。对于不带 SPI 串行总线接口的ATmega16 单片机，需要用软件来模拟 SPI 总线操作11。图 4-2 读取一个字节图 4-3 发送一个字节 4.2.3 SD 卡命令卡命令SD 卡自身具有完备的命令系统，以实现各项操作。SD 卡命令共分为 12 类，分别为 Class0-Class12。不同的 SD 卡支持的指令集不尽相同，SPI 模式下支持的命令和 SD 总线模式下支持的命令也不一致。 SD 卡所有的命令都由 6 个字节组成，发送的时候首先发送最高位。其命令格式如表 3-1表 4-1 SD 卡命令格式 Bytel：命令的开始位为始终为 0；1 表明是主机发送给 SD 卡的命令，后面是命令号（命令号，由指令表示定义，如 CMD39 为 100111 即十六进制为0 x27，那么完整的 CMD39 第一字节为 01100111，即 0 x27+0 x40） 。Byte2-5：命令参数，有些命令没有参数。例如 CMD0 命令参数就为0。CDM24 为写单块命令就有命令参数，命令参数就是要写扇区的地址。Byte6：前 7 位为 CRC 校验位，最后一位停止位 012。命令传输过程采用发送应答机制过程如图 4-4 所示。Byte1Byte2-Byte5Byte6765 0 31 07 001命令号命令号命令参数命令参数CRC 校验码校验码1DataInDataOut