51單片機(jī)集成FM功能的彩色數(shù)碼相框※

李飛，吳麗燕，陳煒

（1.清華大學(xué)汽車工程系，100084；2.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院作戰(zhàn)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)中心；3.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院訓(xùn)練部教?？疲?/p>

51單片機(jī)集成FM功能的彩色數(shù)碼相框※

李飛1，吳麗燕2，陳煒3

（1.清華大學(xué)汽車工程系，100084；2.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院作戰(zhàn)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)中心；3.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院訓(xùn)練部教?？疲?/p>

提出了一種用51單片機(jī)作為控制核心、集成FM收音功能的數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)思路。采用國(guó)產(chǎn)STC89C516RD+單片機(jī)與SD卡配合，F(xiàn)M器件選用國(guó)產(chǎn)數(shù)字收音芯片RDA5807，以單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀PHOENIX325為平臺(tái)，搭建了一套操作靈活方便、性能出色、趣味性強(qiáng)的附帶FM收音功能的TFT數(shù)碼相框，具有自動(dòng)運(yùn)行、旋轉(zhuǎn)飛梭和紅外遙控三種控制模式，對(duì)單片機(jī)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)起到了良好的輔助作用。

MCU；TFT；FM；旋轉(zhuǎn)飛梭；紅外遙控

引 言

在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)中，盡管32位處理器炙手可熱，卻始終無(wú)法完全取代8位單片機(jī)，二者各有千秋［1］。目前，國(guó)內(nèi)院校單片機(jī)課程大都以51單片機(jī)為主線進(jìn)行講授，但51系列單片機(jī)資源有限，難以實(shí)現(xiàn)彩色圖像的顯示，這造成彩屏模塊相關(guān)章節(jié)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的缺失。為解決此問(wèn)題，本文采用大容量單片機(jī)STC89C516RD+作為控制核心，利用筆者研制的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀PHOENIX325作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一款數(shù)碼相框，可實(shí)現(xiàn)特定格式彩色照片的顯示，有助于學(xué)生理解彩屏控制、SD卡文件系統(tǒng)等內(nèi)容。同時(shí)，為增強(qiáng)數(shù)碼相框的功能，提高教學(xué)的趣味性，在數(shù)碼相框上設(shè)計(jì)集成了一款小巧、性能優(yōu)異的FM收音機(jī)。圖1為系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

1 器件選擇

1.1 2.4英寸彩屏模塊

彩屏模塊裸屏控制器為ILI9328，支持8位和16位兩種數(shù)據(jù)模式，屏幕大小為2.4英寸，分辨率為320×240，數(shù)據(jù)線為44針，與PHOENIX325實(shí)驗(yàn)儀之間的接口為20引腳單排針，可以直接使用LCD12864接口。

1.2 單片機(jī)

一張320×240分辨率的普通BMP圖片大小一般為20～30KB，編程時(shí)生成的數(shù)組大小也很可觀［2-3］，這就要求單片機(jī)具備足夠大的程序存儲(chǔ)器，還要有利于數(shù)據(jù)交換的足夠大的RAM，因此普通51單片機(jī)是不能勝任的。

STC89C516RD+單片機(jī)是深圳宏晶公司的一款產(chǎn)品，擁有64KB的FLASH和1KB的RAM，與SD卡配合，可以輕松滿足用彩屏顯示照片的需要。

1.3 SD卡

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導(dǎo)體FLASH的新一代記憶設(shè)備，它擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性［4-5］。SD卡支持SPI、1位SD、4位SD三種傳輸模式，利用SD卡配合TFT彩屏，編程使彩屏可顯示BMP圖片，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相框功能。

SD卡的作用是存儲(chǔ)分辨率為320×240的BMP格式照片，采用SPI方式與單片機(jī)接口，重點(diǎn)是SD卡與單片機(jī)的通信和電平匹配。

1.4 旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速、計(jì)數(shù)、定位的裝置，常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。本文選用的旋轉(zhuǎn)編碼器又稱“旋轉(zhuǎn)飛梭”，型號(hào)為EC11。旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出兩組脈沖信號(hào)A相和B相，二者相位相差90°，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以鑒相、計(jì)數(shù)［6］。除此之外，按下編碼器手輪時(shí)還可輸出一路D相脈沖，作為復(fù)位信號(hào)。

1.5 FM器件

FM器件選用國(guó)產(chǎn)數(shù)字收音芯片RDA5807，負(fù)責(zé)電臺(tái)信號(hào)的接收與輸出，該器件具有靈敏度高、噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)、外接元件少、體積小等特點(diǎn)，兼容76～108MHz全球FM頻段（包括日本76～91MHz和歐美87.5～108MHz），含有I2C總線和SPI串行總線接口，支持外部基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入方式，支持高功率32Ω負(fù)載音頻輸出，直接耳機(jī)駁接，無(wú)需外接音頻驅(qū)動(dòng)放大［7］。

2 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是TFT模塊、SD卡、FM模塊等單元的設(shè)計(jì)，由于彩屏和SD卡均為3.3V供電，因此設(shè)計(jì)時(shí)除考慮電平匹配外，還要注意不能忽略上拉電阻的布置。

2.1 TFT模塊單元

PHOENIX325實(shí)驗(yàn)儀已配置有20針的LCD12864接口，彩屏模塊采用16位接口模式1，因此可以直接利用該接口。TFT模塊原理圖略——編者注。

2.2 SD卡單元

SD卡與單片機(jī)之間是SPI通信方式，為保證可靠性，上拉電阻必不可少。如圖2所示，SD卡片選引腳為CS、數(shù)據(jù)輸入引腳為DI、時(shí)鐘引腳為CLK、數(shù)據(jù)輸出引腳DO 經(jīng)10kΩ電阻上拉至3.3V，并分別與單片機(jī)P23、P15、P16、P17相連。

圖2 SD卡單元

2.3 旋轉(zhuǎn)飛梭和紅外接收單元

旋轉(zhuǎn)飛梭EC11共5個(gè)引腳，其中C、E接地，A、B、D相信號(hào)經(jīng)10kΩ電阻上拉至5V，分別與單片機(jī)P10、P11、P12引腳相連，單片機(jī)依據(jù)輸入信號(hào)判斷旋轉(zhuǎn)飛梭的狀態(tài)，再向TFT及FM模塊發(fā)出相應(yīng)指令。

紅外接收頭1038的輸出引腳接至單片機(jī)INT0，如圖3所示。單片機(jī)的引腳連接一個(gè)快捷按鍵，用來(lái)切換對(duì)TFT和FM的控制。

圖3 旋轉(zhuǎn)飛梭和紅外接收電路

2.4 FM單元

采用RDA5807器件的I2C總線連接模式，I2C數(shù)據(jù)線與單片機(jī)P26引腳相連，I2C時(shí)鐘線與單片機(jī)P27引腳相連，RDA5807的7、8引腳接耳機(jī)或小型音箱，如圖4所示。

圖4 FM模塊原理圖

3 軟件編程

3.1 編程重點(diǎn)

編程重點(diǎn)在于TFT彩屏設(shè)置、SD卡文件系統(tǒng)的管理及FM模塊的驅(qū)動(dòng)，其余程序（如旋轉(zhuǎn)飛梭及紅外遙控的解碼、SPI總線驅(qū)動(dòng)等）略去，讀者可自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

3.2 TFT彩屏設(shè)置

彩屏正常顯示的前提是正確初始化，完成各寄存器的配置，程序清單略——編者注。

除此之外，還要設(shè)置掃描模式、掃描原點(diǎn)、掃描區(qū)域、顯示分辨率等參數(shù)。運(yùn)行時(shí)，為提高顯示速度，可將晶振更換為24MHz。

3.3 SD卡數(shù)據(jù)讀取

SD卡是照片存儲(chǔ)的載體，其編程關(guān)鍵是對(duì)SD的初始化、FAT系統(tǒng)的初始化、塊扇區(qū)的讀寫(xiě)，以及SD卡文件結(jié)構(gòu)的掌握，路徑搜索文件的程序清單略——編者注。

3.4 RDA5807驅(qū)動(dòng)程序

3.4.1 寄存器讀寫(xiě)操作

RDA5807器件I2C接口中寄存器地址不可見(jiàn)，但其擁有一個(gè)固定的起始寄存器地址，寫(xiě)操作時(shí)為02H，讀操作時(shí)為0AH。注意，RDA5807器件在單片機(jī)寫(xiě)入操作時(shí)會(huì)返回一個(gè)ACK信號(hào)；而在讀操作時(shí)，如果RDA5807接收到單片機(jī)發(fā)出的NACK信號(hào)，則終止讀操作［8］。

3.4.2 初始化子函數(shù)

模塊初始化主要完成晶振設(shè)置、收音開(kāi)關(guān)、音效模式等功能的設(shè)置，涉及到的寄存器為02H。

3.4.3 搜臺(tái)子函數(shù)

搜臺(tái)使能由02H寄存器的bit8控制，搜臺(tái)成功后，0AH寄存器的bit14置1，當(dāng)前頻點(diǎn)可從0AH寄存器讀出，當(dāng)前音量則位于05H寄存器的低4位。

程序編譯時(shí)需要在KeilμVision中設(shè)置存儲(chǔ)器模式為“Large”。編譯成功后，將生成的HEX文件燒寫(xiě)到STC89C51單片機(jī)中運(yùn)行。

4 測(cè) 試

圖5是設(shè)計(jì)的數(shù)碼相框在PHOENIX325上應(yīng)用的實(shí)況。數(shù)碼相框和FM模塊均可由旋轉(zhuǎn)飛梭和紅外遙控進(jìn)行控制，控制對(duì)象通過(guò)INT1快捷鍵來(lái)選擇，按下INT1按鍵，程序?qū)?shù)碼相框進(jìn)行控制，再按下INT1按鍵，程序?qū)M收音機(jī)進(jìn)行控制。

圖5 TFT模塊在PHOENlX325實(shí)驗(yàn)儀上的應(yīng)用

程序默認(rèn)數(shù)碼相框?yàn)樽詣?dòng)運(yùn)行模式，逐一顯示SD卡中的照片；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)一下旋轉(zhuǎn)飛梭手輪時(shí)，程序退出自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入手動(dòng)模式，隨著旋轉(zhuǎn)飛梭的轉(zhuǎn)動(dòng)切換照片；按下旋轉(zhuǎn)飛梭手輪，程序重新進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式；按下遙控器數(shù)字鍵，程序則進(jìn)入紅外遙控模式。

再按一下INT1快捷鍵，程序轉(zhuǎn)而對(duì)FM模塊實(shí)施控制，此時(shí)按下旋轉(zhuǎn)飛梭按鈕，進(jìn)入搜臺(tái)模式，程序自動(dòng)搜索信號(hào)最強(qiáng)的頻點(diǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)飛梭手柄時(shí)，進(jìn)入音量調(diào)節(jié)模式，音量隨著旋轉(zhuǎn)飛梭的旋轉(zhuǎn)而變化；當(dāng)用紅外遙控時(shí)，可自由定義遙控器按鍵，實(shí)現(xiàn)選臺(tái)、音量變大、音量變小、靜音等功能。

結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)6個(gè)班次的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的數(shù)碼相框控制方式靈活、顯示效果優(yōu)異、切換速度快捷；FM模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、音質(zhì)出色、搜臺(tái)豐富，效果令人滿意。能使彩屏顯示走進(jìn)51單片機(jī)的課堂，具有一定的趣味性，既鍛煉了動(dòng)手能力，又提高了學(xué)習(xí)效果，對(duì)51單片機(jī)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)起到了較好的補(bǔ)充，具有較好的教學(xué)和應(yīng)用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

［1］《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》編輯部.8位單片機(jī)是否將被32位單片機(jī)替代［J］.單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用，2015（1）：1-2.

［2］商廣良，趙天月.低功耗TFT-LCD驅(qū)動(dòng)方法RDA［J］.液晶與顯示，2012，27（6）：785-788.

［3］陳金立，高超.基于TFT-LCD顯示屏的電子相冊(cè)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，（11）：67-70.

［4］李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2011，30（12）：79-81.

［5］崔鵬偉，閆學(xué)文.基于SD卡的FATFS文件系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（11）：141-142.

［6］王鐵成，杜占平.建立基于兩級(jí)旋轉(zhuǎn)編碼器的位置檢測(cè)系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009（7）：27-29.

［7］San Bergmans.A comprehensive understanding of the infrared remote control［EB/OL］.［2015-01］.http：//wenku. baidu.com/view/417f0fc34028915f804dc242.html.

［8］李飛.具有旋轉(zhuǎn)飛梭和紅外遙控功能的單片機(jī)FM收音機(jī)［J］.2013精選實(shí)用電子設(shè)計(jì)100例，2013（12）：77-80.

李飛（博士研究生），主要從事汽車電子控制方向的研究工作。

（責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2015-02-04）

Color Digital Photo Frame lntegrated FM Based on 8051※

Li Fei1，Wu Liyan2，Chen Wei3
（1.Department of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；
2.Combat Training Experiment Center，Shijiazhuang Mechanized Infantry School；
3.Education and Safeguard Office of Training Department，Shijiazhuang Mechanized Infantry School）

The paper puts forward a design idea for digital photo frame which uses 8051as the control core and is integrated FM module. The design realizes a flexible operation，excellent performance，integrated FM and interesting TFT digital photo frame by adopting STC89C516RD+MCU and SD card as key component.It uses RDA5807as FM chip，and the MCU teaching experiment instrument-PHOENIX325as the platform.The TFT digital photo frame has three control models such as running automatically，rotating the shuttle and infrared remote control，as a result，it plays a good supporting role for the teaching of MCU related content.

MCU；TFT；FM；rotary shuttle；infrared remote control

TP211.5

A