基于EPG3231和閃存的聲音播放器設計

周江

（成都職業(yè)技術學院 電 子系， 四川 成 都 6 10041）

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1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。

圖1 聲音播放器總體設計框圖

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122×32的LCM，內置控制器為SED1520，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51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是三星公司生產的1 G×8 bit的NAND Flash存儲器，工作電壓為2．7～3．6 V，內部存儲結構為（2 K+64） 字節(jié)/頁×128頁/塊×4 096塊[1]。外部電路通過共用的8位I/O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[2]。K9G8G08采用48引腳的TSOP封裝，其引腳配置如圖2所示。

圖2 K9G8G08引腳配置

2.2 EPG3231簡介

EPG3231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，EPG3231的速度較快，在時鐘頻率為16 MHz時，指令周期為125 ns[3]。

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EPG3231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，EPG3231的D/A輸出是48引腳（PB1），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PB1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PB1輸出，調整可調電阻，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）。

圖3 EPG3231與K9G8G08的電路連接

另 外 ，圖3中 使 用EPG3231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00H是最低電平，F(xiàn)FH是最高電平），而EPG3231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1所示。

表1地址的格式

其次，根據(jù)NAND Flash的特點，其內部是可能有壞塊（BAD BLOCK）存在的，但BLOCK 0一定是有效塊（VALID BLOCK），所以將壞塊信息存在BLOCK 0中。而K9G8G08的有效塊的個數(shù)在3 996～4 096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0。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 0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45．4 μs或22．7 μs。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）控制線上產生下降沿；3）輸入數(shù)據(jù)的操作包括在讀（RE）控制線上產生上升沿和讀入數(shù)據(jù)。

表2存儲區(qū)分配

圖4 讀K9G8G08的軟件設計流程

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[4]。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。可以采用在播放器中使用16 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。

[1]SAMSUNG Electronics．K9XXG08UXM Datasheet[EB/OL]．（2006－04－25）[2009－10]．http：//www．pudn．com/downloads99/ebook/detail406503．html．

[2]SAMSUNG Electronics．NAND Flash code information Datasheet[EB/OL]．（2009－08）[2009－10]．http：//www．samsung．com/global/business/semiconductor/products/flash/downloads/Nand_Flash．pdf．

[3]ELAN MICROELECTRONICS CORP．EPG3231－EM202 RISC II－2G series microcontroller product specification（V1．4）Datasheet[EB/OL]．（2006－03）[2009－10]．http：//www．emc．com．tw/twn/database/Data_Sheet/PE/EPG3231－EM202．pdf．

[4]SAMSUNG Electronics．ID Data of NAND Flash datasheet[EB/OL]．（2009－08）[2009－10]．http：//www．samsung．com/global/business/semiconductor/products/flash/downloads/ID_Summary_WEB_new．pdf．

[5]S-MOS Systems，Inc．SED1520/21 dot matrix LCD driver（Version 1．0）datasheet[EB/OL]．（1996－10）[2009－10]．http：//www．21icsearch．com/s_SED1520．html?stype=pdf&t1=&keyword=SED1520．

[6]張迎新．單片機初級教程[M]．2版．北京：北京航空航天大學出版社，2006．