基于EPG3231和闪存的声音播放器设计方案

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提出一种在单片机系统中比较简单地使用大容量NAND Flash存储器的方法。与一般方法相比，编写应用程序的程序员不需要掌握计算机文件系统的规范，只要按照NAND Flash的读、写、擦除等时序对其进行操作，把NANDFlash当成NOR Flash或SRAM来对待，这样存储器的物理地址对程序员而言是透明的，只需要在遇到坏块（BAD BLOCK）时跳过该块就可以了。该方法降低了使用NAND Flash存储器的难度和成本，且不仅适用于EPG3231，也可以推广到一般的8位单片机系统中使用。
       
        在从事单片机的教学中，由于学生对有声音和显示的制作项目更感兴趣一些。因此，在学习过程中这种兴趣往往能让他们完成项目，获得成就感，从而学到更多的东西。
       
        目前在技术上，声音的存储大都使用大容量的NAND Flash，但一般按照文件系统的方式存储，这对学生有一定的难度。本声音播放器的声音文件采用非文件方式存储在NAND Flash中，这样在不需要太多背景知识的情况下，可以比较简单地使用大容量的NAND Flash存储器，降低了使用NAND Flash存储器的难度和成本。
       
        1声音播放器总体设计方案
       
        声音播放器总体设计框图如图l所示。其中存储器用于存放声音文件，单片机将存储器中的声音文件名显示在显示器上，并根据按键选择要播放的声音文件，从存储器中将声音文件的数据送到内部的D/A转换器，D/A的输出通过功放放大后送到喇叭放出声音。
       
       
        图1声音播放器总体设计框图
       
        其中，在选择存储器时，应满足大容量、非易失、价格便宜等条件，根据上述条件，NAND Flash为最佳选择，这里选用K9G8G08型NAND Flash，其容量是1 G字节。对于WAV格式的语音信息，8 bit、22.05 kHz、单声道足以满足一般需求，而对于音乐（歌曲）来讲，44.1 kHz的采样频率也能达到较好效果，因此，该器件中能存储约800 min语音或400 min音乐；显示器采用122x32的LCM，内置控制器为SEDl520，可以显示14个汉字或28个英文字符；按键主要有放音/暂停、停止、上翻、下翻等，采用独立式按键；单片机选用ELAN的EPG3231，该器件与5l系列单片机使用相似。
       
        设计声音播放器关键需要考虑：声音数据以何种格式、何种方式载入K9G8G08.一种可直接用一个U盘，通过计算机将数据下载到K9G8G08中，声音数据以文件方式存放。但这样必须在单片机中完成与U盘的接口连接，并且要熟悉计算机的文件格式，这对单片机的初学者来讲难度比较大。另一种是将声音数据按顺序存放在K9G8G08中（遇到坏块时跳过即可），这样数据存放的物理地址对开发者来讲是透明的，再使用下载器就可以将声音数据载入K9G8G08中。如果将下载器和声音播放器做在一起，同样可以在线下载数据。
       
        2声音播放器硬件电路设计
       
        2.1 K9G8G08简介
       
        K9G8G08是三星公司生产的1 Gx8 bit的NAND Flash存储器，工作电压为2.7～3.6 V，内部存储结构为（2 K+64）字节/页×128页/块×4096块。外部电路通过共用的8位I/0端口分时访问其命令寄存器、地址寄存器和数据寄存器，实现对器件读、写和擦除等操作。其存储器的命名方式参见文献。K9G8G08采用48引脚的TSOP封装，其引脚配置如图2所示。
       
       
        图2 K9G8G08引脚配置
       
        2.2 EPG3231简介
       
        EPG323l是ELAN公司的8位RISC单片机，它有11个8位并行口、1个8位电流输出型的D/A、1个10位逐次逼近型A/D、1个通用异步收发器UART、1个8，16，24位的串行外设接口SPI、3个定时器等，硬件资源丰富，还支持手写识别、语音识别、ADPCM编解码等功能。另外，EPG3-23l的速度较快，在时钟频率为16 MHz时，指令周期为125 ns.
       
        2.3 EPG3231与K9G8G08的电路连接
       
        图3为EPG3231与K9G8G08的电路连接图。图中没有给出K9G8G08，只给出了EPG323l的基本电路及用网络标号标出的与K9G8G08的连接引脚。K9G8G08的19引脚是写保护，在实际电路中接+3.3 V（不保护）。需要说明的是，EPG323l的D/A输出是48引脚（PBl），输出电流信号，需要将其输出转换为电压信号再送至后续的功放。其中比较简单且可行的做法是在PBl与地之间接一只电阻来完成电流与电压的转换，关键是该电阻的取值。若电阻阻值较大，输出波形的上部会出现限幅失真；若阻值较小，则不能最大限度地利用D/A的动态范围。因此确定该电阻阻值的方法是：先接一只可调电阻，写一段测试程序，向D/A反复连续地送00～FFH的数值，通过示波器观察PBl输出，调整可调电阻，使输出为不失真的锯齿波，且最高点为3.3 V（即参考电源VREX（70引脚）电压）。
       
       
        图3 EPG3231与K9G8G08的电路连接图
       
        另外，图3中使用EPG323l的D端口（PD0～PD7）与K9G8G08的I/O端口相连，这个端口必须是双向的，使用其他的双向端口也可以，但不要使用J端口和K端口，这两个端口适用按键的输入/输出（矩阵键盘时的扫描输出），速度比较慢，不能用于与K9G8G08的通信。还需注意的是，由于WAV文件中的编码是无符号数（即OOH是最低电平，FFH是最高电平），而EPG323l的D/A输入是有符号数（即80H是最低电平，7FH是最高电平），所以程序中应将WAV声音数据的最高位取反后送到D/A.
       
        3声音播放器软件设计
       
        在声音播放器软件设计之前，应确定好K9G8G08中数据存放的格式。
       
        首先是地址的格式。对K9G8G08内部存储单元操作的地址是分5个字节送出的，所以地址的格式最好是按这5个字节编排，如表l所示。
       
        表一地址的格式
       
        其次，根据NAND Flash的特点，其内部是可能有坏块（BAD BLOCK）存在的，但BLOCK 0一定是有效块（VALID BLl3CK），所以将坏块信息存在BLOCK 0中。而K9G8G08的有效块的个数在3 99* 096之间，也就是说，坏块的个数不大于100个。块地址是由A19～A30决定的，为方便程序的编写，将块地址分3个字节存储，各个地址位的安排同表1中的第3、4、5个字节，将A12～A18位放O.坏块信息存储区最多占用300个字节。
       
        第三，将声音文件的目录也存在BLOCK O中。目录中的每条记录占用64字节，其中前5个字节是声音文件的起始地址，同样为了方便程序的编写，每字节中包含的地址位与表1一致；后面的59个字节是声音的名字，比如歌曲名等，用0表示结束，如表2所示。从表2中可知，目录区最多有4 088个记录，应该能满足一般的需要。
       
        表二存储区分配
       
        软件设计中最关键的是对K9G8G08的操作。该声音播放器中，程序只需对K9G8G08进行读操作即可。图4为读K9G8G08的软件设计流程。
       
       
       
        图4 K9G8G08的软件设计流程
       
        对K9G8G08读操作的程序在定时器中断中调用。对于22.05 kHz或44.1 kHz的WAV文件，定时器的中断周期分别为45.4μs或22.7μs.对于单声道、8 bit的WAV文件，其频率可以在文件头的第18H、19H字节得到，对于22.05 kHz和44.1 kHz的WAV文件，这两个字节的值分别是22H、56H和44H、ACH，声音信息从第2CH个字节开始。需要说明：1）写入命令的操作包括送出命令字和在写（WE）控制线上产生下降沿；2）写入5字节地址的操作要按表1中的顺序向K9G8G08写入5个字节的地址。每个地址的写入包括送出地址和在写（WE）控制线上产生下降沿；3）输入数据的操作包括在读（RE）控制线上产生上升沿和读入数据。
       
        4结束语
       
        由于对不同型号的NAND Flash的操作有可能略有差别，所以如果要使播放器同时能支持多种NAND Flash，应该在程序中读取器件的ID，根据其ID选择不同的读NAND Flash的程序。三星NAND Flash的ID参见文献。该声音播放器具有盒式录音机和复读机的放音功能，如果增加录音功能，它完全可以是盒式录音机和复读机的替代品，因为它有不用磁带和没有复杂的、易损坏的机械结构的优点，是前两者不能相比的。只是由于8 bit的量化分辨率略低了点，体现在播放音量较小的语音时，有点“呜呜”的噪音，这是量化误差引起的。可以采用在播放器中使用16 bit的WAV文件的方法来解决，但这会增加一倍的数据量。也可以通过使用MP3文件的方法来解决，这时它就是一台MP3播放器了，但需要增加MP3解码器（或用软件解码）。这里所提出的对NAND Flash的使用方法简单易行，基本上类似于对NOR Flash或SRAM的使用，存储器的物理地址对程序员来讲是透明的，易于理解和控制。
       
        参考文献：
       
        [1]. RISC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html. [2]. A30 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/A30_2278082.html.
        [3]. A12 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/A12_1818348.html.
        [4]. ACH datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ACH_2278830.html.