Комбинированное звуковое USB-устройство с функциями автономного MP3-плеера и поддержкой Bluetooth

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Факультет Информатики и вычислительной техники

Специальность 220 100

Дипломник:

Фамилия Бронин .

Имя Климент .

Отчество Васильевич

Тема дипломного проекта: Комбинированное звуковое USB-устройство с функциями автономного MP3-плеера и поддержкой Bluetooth.

Кафедра Информационных вычислительных систем

Заведующий кафедрой: Галанина Н. А., к.т.н., доцент

Руководитель: Егоров Е. Г., старший преподаватель

Консультанты: Егоров Е. Г., старший преподаватель

Блохинцев А. А., доцент

Рецензент:

№ приказа о допуске к дипломному проектированию: ______________

Проект начат _______________________

Проект закончен ____________________

№ приказа о допуске к защите ________

Оценка экзаменационной комиссии по защите: ___________________

Декан факультета Секретарь экзаменационной комиссии

«____» __________________ 2007 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Факультет информатики и вычислительной техники УТВЕРЖДАЮ Декан факультета

_______________/Калмыков Б.М.

«___» ______ 2007 г.

ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ Тема проекта: Комбинированное звуковое USB-устройство с функциями автономного MP3-плеера и поддержкой Bluetooth.

Студент: Бронин Климент Васильевич

Группа: ИВТ-12−02

СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ:

Исходные данные к проекту: Количество аудио выходов — 1. Тип аудио выхода — стерео. Разрядность ЦАП — 16. Количество управляющих клавиш — 4. Тип дисплея — LCD. Разрешение дисплея — не менее 64×32. Объем встроенной памяти 1 Гбайт. Поддержка интерфейса USB версии 1.1. Количество входов USB — 1. Поддержка интерфейса Bluetooth версии 1.1. Встроенная поддержка формата MP3.

Схемотехническая часть: Анализ области применения устройства. Обзор мультимедиа-устройств с поддержкой USB и/или Bluetooth. Выбор процессора устройства. Выбор базовых компонентов устройства. Разработка структурной, функциональной и принципиальной схем устройства.

Программная часть: Разработка алгоритма управляющей программы устройства. Разработка шаблона драйвера устройства для операционной системы Windows XP.

Конструкторская часть: Разработка печатной платы устройства.

Экономическая часть: Расчет себестоимости и цены устройства.

Экологическая часть: Анализ условий труда и безопасности при разработке проекта и эксплуатации устройства.

Содержание расчетно-пояснительной записки: Введение. 1. Анализ области применения устройства. Обзор мультимедиа-устройств с поддержкой USB и/или Bluetooth. Выбор процессора устройства. Выбор базовых компонентов устройства. 2. Разработка структурной схемы устройства. 3. Разработка функциональной схемы устройства. 4. Разработка принципиальной электрической схемы устройства. 5. Программная часть. 6. Конструкторская часть. 7. Экономическая часть. 8. Экологическая часть.

Заключение

.

Содержание графической части проекта: 1. Структурная схема устройства; 2. Функциональная схема устройства; 3. Принципиальная электрическая схема устройства; 4. Печатная плата. Чертеж детали; 5. Печатная плата. Сборочный чертеж; 6. Блок-схема алгоритма управляющей программы.

Консультанты:

по схемотехнической части: ст. пр. Егоров Г.Е.

по программной части: ст. пр. Егоров Г. Е.

по конструкторской части: ст. пр. Егоров Г. Е.

по экономической части: ст. пр. Егоров Г. Е.

по экологической части: доцент Блохинцев А. А.

Руководитель проекта: ст. пр. Егоров Г. Е.

Задание принял к исполнению студент Бронин К. В.

Задание зарегистрировано Заведующий кафедрой к.т.н., доцент Галанина Н. А.

Аннотация

Annotation

1. Анализ области применения устройства

1.1. Обзор мультимедиа-устройств с поддержкой USB и/или Bluetooth

1.2. Выбор процессора устройства.

1.3. Выбор базовых компонентов устройства

2. Разработка структурной схемы устройства

3. Разработка функциональной схемы устройства

3.1. Обзор функциональных возможностей процессора устройства

3.2. Обзор функциональных возможностей модуля F2M03MLA

3.3. Функциональная схема устройства

4. Разработка принципиальной электрической схемы устройства

4.1. Расчет схемы подключения резонатора к AT91SAM7SE

4.2. Расчет схемы подключения питания и USB входа к AT91SAM7SE

4.3. Расчет схемы подключения питания к F2M03MLA

4.4. Подключение микрофона к F2M03MLA

4.5. Расчет схем соединения AT91SAM7SE с базовыми компонентами

4.6. Возможности аппаратной модернизации устройства

5. Программная часть

5.1. Обзор средств разработки

5.2. Разработка блок-схемы алгоритма управляющей программы

5.3. Разработка шаблона драйвера устройства

5.4. Возможности расширения функциональности устройства

6. Конструкторская часть

6.1. Обзор средств разработки печатных плат

6.2. Разработка печатной платы устройства

7. Экономическая часть

7.1. Расчёт себестоимости устройства

7.1.1. Определение единовременных затрат

7.2. Расчёт заработной платы

7.2.1. Расчёт основной заработной платы

7.2.2. Расчет дополнительной заработной платы

7.3. Расчет материальных затрат

7.3.1. Расчет стоимости комплектующих изделий

7.3.2. Расчет стоимости вспомогательных материалов

7.3.3. Расчет отчислений на социальные нужды

7.3.4. Расчет цеховых, общезаводских расходов. Расход заводской себестоимости

7.4. Расчет полной себестоимости

8. Экологическая часть

8.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов и их влияние на оператора

8.1.1. Повышенный уровень шума на рабочем месте

8.1.2. Неблагоприятный микроклимат

8.1.3. Повышенный уровень излучений

8.1.4. Недостаточность освещения

8.1.5. Перегрузки эмоциональные и умственные

8.1.5.1. Утомление

8.1.5.2. Монотонность

8.1.5.3. Стресс

8.1.6. Возникновение пожара

8.1.7. Нарушение изоляции токоведущих частей

8.2. Мероприятия по устранению опасных и вредных производственных факторов

8.2.1. Организационные мероприятия

8.2.2. Технические мероприятия

8.2.2.1. Мероприятия по снижению уровня шума на рабочих местах

8.2.2.2. Мероприятия по приведения температуры воздуха рабочей зоны, влажности, подвижности воздуха к оптимальным значениям

8.2.2.3. Мероприятия по снижению повышенного уровня излучений

8.2.2.4. Мероприятия по устранению или снижению недостаточной освещенности рабочей зоны

8.2.2.5. Мероприятия по снижению пожароопасности в рабочей зоне

8.3. Расчет общеобменной вентиляции

8.4. Экологичность проекта. Утилизация отходов, возникающих при изготовлении печатных плат

8.5. Выводы Заключение

Приложение

Аннотация

Дипломный проект посвящён разработке портативной звуковой USB-карты. В автономном режиме устройство способно выполнять функции MP3-плеера с поддержкой Bluetooth.

В теоретической части рассмотрены современные мультимедиа-устройства, поддерживающие USB и Bluetooth, и обоснован выбор процессора устройства и его базовых компонентов.

Вторая, третья и четвертая главы посвящены разработке аппаратной части устройства, а пятая глава — разработке шаблона драйвера устройства.

Конструкторская часть описывает процесс разработки печатной платы устройства.

В экономической части приведён расчёт себестоимости устройства, а экологическая часть посвящена безопасности и экологичности проекта.

Annotation

The purpose of the degree work is development of a portable sound USB-cards. In free running mode this device executes MP3-player's functions and supports Bluetooth.

In theoretical part are considered modern multimedia-device, supporting USB and Bluetooth, and is motivated choice of the processor device and its base component.

The Second, the third and the fourth chapters are dedicated to development of the hardware part device, and the fifth chapter is dedicated to development of the pattern of the driver device.

Design part describes the development of the device’s circuit board.

Economic part contains the calculation of the device’s cost and ecological part dedicates safety and ecological capacities of the project.

Сейчас многие портативные устройства поддерживают интерфейс USB, особенно те устройства, которые построены на микропроцессорах.

Интерфейс USB помимо всего прочего дал возможность питания устройства прямо от шины, чем не преминули воспользоваться разработчики. На данный момент рынок USB-устройств очень разнообразен и включает в себя такие экзотические устройства, как USB-тапочки с подогревом, подогреватель для чашки, вентилятор, фонарик, грелку и даже зубную щетку. Существует даже швейцарский армейский нож, снабженный запоминающим устройством с портом USB.

Одна из новинок, появившаяся в 2006 году и не обделенная вниманием, — это звуковые USB-колонки, представляющие собой звуковую карту, подключаемую к USB-порту, и несколько динамиков.

Другим более привычным USB-мультимедиа устройством является MP3-плеер. Современные MP3-плееры отличаются от своих предшественников поддержкой Bluetooth. Причем это выражается не только в передаче звука на беспроводные наушники, но и в возможности обмена файлами с другими Bluetooth-устройствами. С развитием портативных плееров увеличивается и объем встроенной памяти. На данный момент стандартом является 1 Гбайт.

Целью данного дипломного проекта является разработка устройства, которое будет совмещать в себе возможности современного MP3-плеера с поддержкой Bluetooth и звуковой USB-карты. Устройство должно иметь широкие аппаратные возможности, которые впоследствии при модификации программной части, должны дать потребителю новые возможности.

При подключении к компьютеру устройство в зависимости от установок, хранящихся в энергонезависимой памяти, должно определяться как звуковая карта или флеш-диск и выполнять соответствующие функции.

В автономном режиме устройство должно работать как MP3-плеер с поддержкой Bluetooth. Поддержка Bluetooth должна выражаться как минимум в передаче звука на беспроводные наушники, а также иметь возможность расширения Bluetooth-функций устройства.

Наличие дисплея, стерео аудио выхода и встроенной памяти объемом 1Гбайт вместе с поддержкой USB и Bluetooth и возможностью перепрограммирования обуславливают широкие возможности использования устройства и делают его привлекательным потребителю.

1. Анализ области применения устройства

Основная сфера применения устройства — это рынок потребительской мультимедиа электроники, в частности рынок портативных MP3-плееров и диктофонов.

Рынок потребительской электроники постоянно растет и развивается по мере появления и развития новых технологий, интерфейсов и стандартов. Сейчас практически все портативные устройства с возможностью сопряжения с персональным компьютером поддерживают интерфейс USB.

Выбор шины USB в качестве средства сопряжения с персональным компьютером неслучаен, так как эта шина изначально задумывалась как единый универсальный интерфейс со следующими свойствами:

легко реализуемое расширение периферии;

дешевое решение позволяющее передавать данные с приемлемой скоростью;

полная поддержка в реальном времени голосовых, аудиои видеопотоков;

интеграция с выпускаемыми устройствами;

охват всевозможных конфигураций и конструкций персонального компьютера;

обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;

создание новых классов устройств, расширяющих персональный компьютер.

Практически все требования были учтены и потребители получили действительно удобный и функциональный интерфейс.

На сегодняшний день основная тенденция развития рынка потребительской электроники — стремление сделать устройство мобильным. Примером этого служит появление мобильных телефонов, компьютеров и принтеров. Производители мобильной техники постоянно выпускают новые устройства, разрабатывают новые технологии или улучшают существующие. Мобильность подразумевает маленькие размеры и вес, и возможность работы в автономном режиме.

Беспроводной интерфейс Bluetooth позволяет различным устройства, которые поддерживают данный интерфейс, — ноутбукам, PDA, сотовым телефонам, принтерам и беспроводным гарнитурам — автоматически связываться с достаточно близко расположенными, себе подобными устройствами для обмена информацией. Одно Bluetooth-устройство способно вести «разговор» с 7 «друзьями». Для связи используется нелицензируемый в большинстве стран мира диапазон радиочастот 2,4 ГГц. Скорость передачи данных может составлять от 721 Кбит/с до 3 Мбит/сек в зависимости от используемой спецификации устройства, а расстояние — от 10 до 30 метров.

Одной из новых тенденций развития рынка портативных плееров является поддержка беспроводного интерфейса Bluetooth.

Таким образом, поддержка популярного и широко использующегося проводного интерфейса USB наряду с набирающим популярность беспроводным интерфейсом Bluetooth, делают устройство современным и конкурентоспособным на этом рынке.

Благодаря возможности использования в качестве портативной малогабаритной звуковой USB-карты устройство также должно пользоваться популярностью у владельцев ноутбуков и персональных компьютеров, не оснащенных звуковой картой.

Помимо вышеуказанных сфер применения устройство в силу своей специфики также может быть ориентировано и на рынок экзотичных USB-устройств, о которых упоминалось выше. Этот рынок многим может показаться бесперспективным, однако он пользуется большой популярностью среди программистов и людей, проводящих много времени за компьютером.

К тому же для потребителя покупка одного данного устройства с успехом заменит покупку нескольких устройств, обеспечивающих вместе такую же функциональность. Этот обстоятельство также может привлечь внимание потребителей, обожающих товары два в одном.

1.1 Обзор мультимедиа-устройств с поддержкой USB и/или Bluetooth

Рынок USB-устройств очень быстро развивается. Интерфейс USB не только приходит на смену устаревшим RS-485, RS-232 и LPT, но и конкурирует с уже привычными интерфейсами, такими как Ethernet и WireFire.

Интерфейс USB можно использовать для передачи данных, для передачи данных и питания устройства или просто для питания/подзарядки устройства. Столь широкие возможности объясняются тем, что устройство может получать питание напрямую от шины.

Среди мультимедиа устройств, поддерживающих USB, можно выделить звуковые колонки, колонки с питанием от USB, различные плееры и диктофоны, FMи TV-тюнеры. Наиболее популярным, конечно, является MP3-плеер.

Интерфейс Bluetooth, который первоначально был ориентирован на рынок портативных компьютеров и сотовых телефонов, теперь начинает завоевывать и рынок портативных устройств, в том числе и рынок MP3-плееров. Интерфейс используется не только для передачи звука на беспроводные наушники, но и для обмена звуковыми файлами, что весьма привлекательно для современной молодежи.

Мультимедиа устройствами, поддерживающими Bluetooth, являются беспроводные наушники и колонки, плееры и различные гарнитуры для сотовых телефонов.

На сегодняшний день самым распространенным и типичным мультимедиа-устройством, поддерживающим и USB, и Bluetooth, является MP3-плеер.

Приведем его характеристики:

поддержка интерфейсов USB и Bluetooth;

воспроизведение MP3-, WMA-, WAVEи OGG-файлов;

встроенная память объемом не менее 1 Гбайт;

возможность записи звука;

возможность использования в качестве FM-радио.

Как видно, характеристики разрабатываемого устройства вполне соответствуют характеристикам современного портативного плеера.

1.2 Выбор процессора устройства

Процессор устройства, то есть его управляющий микроконтроллер, должен обеспечивать всю функциональность устройства либо иметь возможность соединения с другими микросхемами, обеспечивающими ту функциональность, которую не может обеспечить сам.

Для обеспечения соединения с USB можно воспользоваться двумя возможностями.

Можно подобрать такой управляющий микроконтроллер, который поддерживал интерфейс USB с возможностью программного определения режима работы устройства.

Другой подход предполагает подбор такой микросхемы сопряжения с USB, которая также обеспечивала бы соединение с управляющим микроконтроллером. Однако этот подход не рационален в силу нескольких причин:

при использовании двух микросхем вместо одной, могут возникнуть как аппаратные, так и программные трудности;

выигрыш в стоимости будет минимален, так как микроконтроллеры с поддержкой USB уже внедрены в массовое производство и доступны в различных ценовых вариантах;

общая площадь, которую на печатной плате будут занимать две микросхемы, будет больше площади занимаемой одной микросхемой, так как на сегодняшний день практически все микроконтроллеры как с поддержкой USB, так и без, отличаются малыми размерами.

Рассмотрим микросхемы обеспечивающие соединение c USB-портом и микроконтроллеры с поддержкой USB и высокой производительностью. Среди множества производителей этой продукции можно выделить такие компании, как Atmel, Cypress Semiconductors, Cygnal, FTDI, Microchip и National Semiconductors.

Компания FTDI (Future Technology Devices International) специализируется на производстве микросхем сопряжения микропроцессорных устройств с USB. Микросхемы такого рода целесообразно использовать, если управляющий микроконтроллер не имеет собственных средств сопряжения с USB. Однокристальные микросхемы FT232AM и FT232BM представляют собой асинхронный двунаправленный преобразователь USB в последовательный интерфейс, т. е. управляющий микроконтроллер обязательно должен иметь UART порт. FT245AM и FT245BM преобразуют USB в параллельный интерфейс. Стоимость этих микросхем составляет $ 4.5.

Микропроцессоры C8051F320 и C8051F321 компании Cygnal поддерживают протокол USB2.0, содержат 20 цифровых входов/выходов, АЦП, 4 таймера, а их производительность составляет 25 MIPS. Стоимость микросхемы — около 50 $, что, конечно, очень дорого и обуславливает невозможность использования данной микросхемы в разрабатываемом устройстве.

Среди микросхем компании Cypress Semiconductors наибольшим интересом у разработчиков пользуется универсальный контроллер CY7C68013A. Рабочая конфигурация контроллера определяется программой, загруженной во внутреннюю оперативную память. Именно эта возможность делает контроллер универсальным: в зависимости от задачи его можно настроить для выполнения тех или иных необходимых функций, к тому же пользователь сам может обновлять программное обеспечение готовых приборов в процессе эксплуатации. Благодаря этому данная микросхема выгодно отличается от рассмотренной продукции компании FTDI.

Компания Microchip выпускает микроконтроллеры с архитектурой PIC и встроенной USB-функцией. Микроконтроллеры семейства PIC16xxxx имеют последовательный интерфейс, от 22 до 33 программируемых выводов и АЦП. Микроконтроллеры семейства PIC18xxxx поддерживают интерфейсы CAN и SPI, имеют от 19 до 34 программируемых выводов и АЦП.

National Semiconductors предлагает линейку процессоров семейства CP3000, поддерживающих и USB 1.1, и Bluetooth 1.1. Для создания полностью готового Bluetooth-устройства требуется лишь приемопередатчик, в качестве которого производитель предлагает использовать свою же микросхему LMX5252. Процессоры также поддерживают интерфейсы SPI, UART и PCM. Некоторые из них, например CP3BT26 и CP3CN23 имеют АЦП. Старший представитель семейства CP3SP33 поддерживает протоколы USB 2.0 и Bluetooth 1.2 и имеет встроенное DSP-ядро, предназначенное для декодирования MP3 и WMA. Однако этот процессор только вводится в массовое производство, что сильно затрудняет его использование. Все процессоры семейства CP3000 имеют от 40 программируемых выводов и более и отличаются вполне приемлемой ценой, кроме CP3SP33.

Известный производитель доступных и надежных управляющих микроконтроллеров компания Atmel предлагает несколько линеек процессоров, поддерживающих USB и другие интерфейсы для обеспечения связи с другими микроконтроллерами и внешней памятью.

Микроконтроллеры с архитектурой MCS51 поддерживают помимо USB ряд других интерфейсов, таких как SPI, UART и TWI. Среди них выделяется процессор AT89C5132, который помимо этого поддерживает интерфейсы I2S и IDE, возможность соединения с MultiMediaCard и DataFlash и имеет 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь.

Микроконтроллеры с ядром AVR, такие как AT90USB1286, AT90USB1287, AT90USB646 и AT90USB647, имеют 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь и способны обеспечивать производительность до 16 MIPS.

Микроконтроллеры семейства AT91с ядром ARM имеют аналого-цифровой преобразователь, большое количество программируемых выводов, поддерживают различные интерфейсы: UART, TWI и SPI. Среди них стоит выделить микроконтроллеры семейства AT91SAM7SE, поддерживающие протокол USB 2.0, имеющие большое количество программируемых выводов и возможность подключения внешней NAND Flash или Compact Flash памяти.

Проанализировав возможности рассмотренных микроконтроллеров, нельзя не заметить очевидное превосходство микроконтроллеров CP3BT26 и AT91SAM7SE. Таким образом, есть возможность использования либо CP3BT26, либо AT91SAM7SE.

В первом случае, требуется Bluetooth-приемопередатчик, внешняя память с подключением по SPI и внешний цифро-аналоговый преобразователь, способный декодировать MP3. Также нужно проработать механизм передачи звука на беспроводные наушники.

Во втором случае также потребуется внешний цифро-аналоговый преобразователь, а также микросхема обеспечивающая Bluetooth-возможности.

Как выяснилось, требуется современный цифро-аналоговый преобразователь. Рассмотрим цифро-аналоговые преобразователи фирмы Micronas, например, UAC3575B и UAC3576B. Они снабжены аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями, цифровым эквалайзером, входом для микрофона и поддерживают USB 2.0. Их функциональности вполне достаточно для разрабатываемого устройства.

Хорошо известны также микросхемы семейства VS1001 фирмы VLSI. Они предназначены для декодирования MPEG аудио данных, имеют мощное DSP ядро, 18-битный цифро-аналоговый преобразователь и поддерживают последовательный интерфейс. Стоимость такого чипа составляет примерно 20 $.

Недавно фирма Free2Move анонсировала модули, предназначенные для Bluetooth мультимедиа устройств и отличающиеся высокой функциональностью, малыми размерами порядка 25мм*15мм и широкой сферой применения. Рассмотрим некоторые из них.

Модуль F2M03CL2 содержит законченный аудио кодек, поддерживает последовательный интерфейс, UART и PCM. Аппаратно поддерживается протокол Bluetooth 1.1. Также есть 8 цифровых входов/выходов и 2 аналоговых.

Другой модуль F2M03MLA имеет 16-битный стерео кодек, 16-битные цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, 32-битное DSP-ядро, поддерживает интерфейсы SPI, UART, I2C и PCM и протокол Bluetooth 2.0. Также есть возможность подключения микрофона.

Другие модули, такие как F2M03GLA, поддерживают USB 2.0, однако их мультимедиа возможности ограничены лишь поддержкой интерфейса PCM, возможности которого соответствуют лишь передаче речевых аудио данных.

Для разрабатываемого устройства возможно использование лишь модуля F2M03MLA. Стоимость его составляет 60 $, что, однако вполне соответствует его возможностям.

Проанализировав все вышеописанные данные, можно выделить несколько вариантов:

если выбрать в качестве процессора устройства микроконтроллер CP3BT26, то дополнительно потребуется реализовать посредством интерфейса SPI возможность подключения внешней памяти, а также нужно будет использовать цифро-аналоговый преобразователь — либо VS1001, либо UAC3575B; возможность использования модуля F2M03MLA в данном случае нецелесообразна, так как произойдет дублирование возможностей;

другой вариант — выбрать микроконтроллер AT91SAM7SE, поддерживающий и USB и NAND Flash, и Bluetooth мультимедиа модуль F2M03MLA, соединение с которым можно организовать по интерфейсу SPI или UART.

В первом варианте получим следующие характеристики устройства: USB 1.1, Bluetooth 1.1, аудио выход и аудио вход.

Второй вариант устройства имеет такие характеристики: USB 2.0, Bluetooth 2.0, аудио вход, аудио выход.

Очевидно преимущество второго варианта, на нем и сделаем выбор. Таким образом, в качестве процессора устройства выбран микроконтроллер AT91SAM7SE, который соединяется с готовым Bluetooth мультимедиа модулем по какому-либо доступному интерфейсу.

1.3 Выбор базовых компонентов устройства

Использование AT91SAM7SE и F2M03MLA, обеспечивает поддержку USB, Bluetooth и памяти, а также предоставляет возможность декодирования MP3 файлов и преобразования цифрового сигнала в аналоговый для использования устройства в качестве звуковой карты.

Для достижения максимально возможной функциональности разрабатываемого устройства рассмотрим выбранные компоненты подробнее. И на основе их возможностей подберем базовые компоненты устройства.

Микроконтроллеры семейства AT91SAM7SE построены на RISC-архитектуре и являются лидером в отношении производительность/потребление.

Имеется встроенная быстрая флеш-память объемом 32, 256 или 512 кбайт и интерфейс для подключения внешней памяти. По этому интерфейсу можно подключить 2 микросхемы Compact Flash памяти или 1 микросхему NAND Flash памяти. Для разрабатываемого устройства подойдет микроконтроллер AT91SAM7SE256, имеющий 256 кбайт внутренней флеш-памяти.

Максимальная частота составляет 55 МГц, что обеспечивает 0.9MIPS/ МГц. Поддерживаются 16/32-битные команды и 8/16/32-битные данные. Микроконтроллер имеет 7 режимов работы, 32-битные регистры общего назначения количеством — 31 и 6 статусных регистров.

Микроконтроллер имеет 2 USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transceiver) порта, 1 SPI (Serial Peripheral Interface) порт, 1 TWI (Two-Wire Interface) порт, 1 SSC (Serial Synchronous Controller) порт и 1 USB порт. Помимо этого имеется трехканальный 16-битный таймер, таймер реального времени и сторожевой таймер. 88 из 128 пинов микроконтроллера можно запрограммировать. Каждая линия может быть либо входом с подтягивающим резистором, либо обычным входом, либо входом прерывания.

SPI порт может работать с 4 последовательными устройствами, в том числе и с LCD-дисплеями и обеспечивает скорость до 1Мбит/сек. Встроенный контроллер памяти также может работать с LCD-дисплеем.

USB порт способен обеспечить скорость передачи до 12Мбит/сек и имеет 8 конечных точек.

Теперь рассмотрим модуль F2M03MLA. Он поддерживает интерфейсы SPI, UART имеет 8 программируемых линий, каждая из которых может использовать встроенный pull-up и pull-down резистор. 4 аналоговых аудио линии можно использовать как выход для наушников или миниатюрных динамиков. Еще 4 аудио линии предназначены для аудио входом, причем в состав модуля входит усилитель для микрофона.

Помимо этого модуль поддерживает несколько аудио интерфейсов — PCM, I2S и SPIDF.

Аппаратно поддерживаются четыре Bluetooth-профиля:

headset;

hands free;

A2DP;

AVRCP.

Также есть возможность модификации программной части модуля для расширения Bluetooth возможностей. Благодаря встроенной антенне радиус действия Bluetooth может достигать 150 метров.

Помимо процессора устройства и Bluetooth аудио модуля базовыми компонентами устройства являются LCD-дисплей, память и питание для обеспечения автономной работы устройства.

Напряжение питания для AT91SAM7SE и F2M03MLA варьируется от 3.0 до 3.6 В, а номинальным считается напряжение 3.3 В.

Сегодня на рынке аксессуаров для портативной электроники доступны различные виды аккумуляторов, способных обеспечить питание разрабатываемого устройства. Аккумуляторы бывают:

никель-кадмиевые (NiCd) — самые дешевые;

никель-металлгидридные (NiMH) — требуют профилактической полной разрядки хотя бы раз в месяц;

литий-ионные (Li-ion) — наиболее распространенные; после года эксплуатации наблюдается уменьшение емкости аккумулятора;

литий-полимерные (Li-pol) — новинка на рынке аккумуляторов, немного дешевле, чем Li-ion и выдерживает 150 циклов зарядки-разрядки.

Характеристики различных аккумуляторов от различных производителей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики аккумуляторов

Также необходимо решить вопрос о подзарядке аккумулятора. Сейчас многие портативные автономные устройства, рассчитанные на сопряжение с компьютером, подзаряжаются напрямую от USB. В разрабатываемом устройстве также можно применить подзарядку аккумулятора от USB-порта.

Так как разрабатываемое устройство рассчитано на частое подключение к USB, то целесообразно предусмотреть и возможность питания от шины. Следовательно, требуется микросхема, которая может подзаряжать аккумулятор от USB и играть роль DC/DC конвертера.

Наиболее распространены DC/DC конвертеры компании MAXIM. Семейство конвертеров MAX639 обеспечивает выходное напряжение 3 и 3.3 В при входном напряжении от 4 до 11.5 В. Конвертеры MAX17xx способны при входном напряжении 0.8 — 5 В обеспечивать 3.3 В на выходе. Однако эти микросхемы не годятся для подзарядки аккумуляторов.

Микросхема MAX1811 может быть использована для подзарядки одной литий-ионной батарейки или аккумулятора. Входное напряжение может подаваться напрямую от USB-порта, а выходное напряжение составляет 3.3 В. Таким образом, данная микросхема может быть использована для подзарядки аккумулятора и для питания устройства.

Устройство должен иметь встроенную память объемом 1Гбайт. Можно использовать Compact Flash или NAND Flash память.

Как известно, память типа NAND Flash имеет особенность, определяемую технологией производства: наличие секторов с дефектными битами, причем число таких секторов увеличивается в процессе эксплуатации микросхемы. Таким образом, для корректной работы необходим механизм, управляющий процессом записи и проверяющий целостность записанных данных. Микроконтроллер AT91SAM7SE имеет встроенный ECC (Error Corrected Code) контроллер, который в процессе записи вычисляет контрольную сумму пакета данных и записывает ее в специально отведенную область памяти, а при чтении проверяет ее. Используя механизм избыточного кодирования, можно исправить одиночную ошибку в пакете и обнаружить двойную ошибку.

К тому же, NAND Flash память отличается малыми размерами и высоким быстродействием, поэтому ее использование предпочтительнее. Микроконтроллер AT91SAM7SE поддерживает 8- и 16-разрядное подключение NAND Flash микросхем.

Рассмотрим подобные микросхемы емкостью 1 Гбайт.

Компания Samsung выпускает память K9K8G08U1A емкостью 8 Гбит с 8-разрядным интерфейсом.

Ее аналогом является память NAND08GW3B2A, производимая компанией STMicroelectronics.

Обе микросхемы внедрены в массовое производство и по обеим микросхемам производители предоставляют полную информацию о характеристиках и возможностях использования. Ценовая разница также несущественна. Для разрабатываемого устройства выберем память NAND08GW3B2A.

Еще одним базовым компонентом устройства является LCD-дисплей. Для разрабатываемого устройства вполне подойдет символьный дисплей, например 20*4 или 16*4 фирмы Bolymin, Systronix, Optrex или Picvue. Однако использование символьного дисплея ограничивает возможности программной модификации устройства (при перепрошивке), поэтому воспользуемся графическим дисплеем.

Графический LCD-дисплей может отображать не только название композиции, ее исполнителя, но и, например, отображать работу графического эквалайзера. Также он способен обеспечить приятную цветовую гамму.

Сегодня рынок графических LCD-дисплеев очень разнообразен как в плане размеров и разрешающей способности, так в плане стоимости, и способен дать оптимальное решение практически любому разработчику. Доступны дисплеи со встроенным контроллером, обеспечивающим легкое взаимодействие с главным процессором устройства, и дисплеи с внешним контроллером.

Во избежание дополнительных аппаратных трудностей желательно использовать дисплеи со встроенным контроллером. Напряжение питания дисплея (питание для отображения графической информации), логики дисплея (питание контроллера) и подсветки должно составлять не более 3.6 В, чтобы не пришлось использовать дополнительных аппаратных затрат. Дисплей также должен быть компактен и удобен. Для устройства вполне подойдет прямоугольный дисплей 128 на 64 точки или квадратный дисплей примерно 80 на 80 точек.

Этим требованиям удовлетворяют графические LCD-модули фирмы Sunlike с разрешающей способностью 128 на 64. Их характеристики приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики графических дисплеев с разрешением 128*64 фирмы Sunlike

Наиболее удобным из указанных дисплеев в силу своих размеров и наличия встроенного контроллера является модель SG12864H.

Так как модуль F2M03MLA способен обеспечить выход звука на миниатюрные динамики и имеет усилитель для микрофона, в разрабатываемое устройство целесообразно добавить возможность воспроизведения звука и наушниками, и динамиками и возможность записи звука и через микрофон, и через аудио вход.

Для устройства подойдет любой микрофон с питанием не более 3.6 В и компактными размерами. Параметры конденсаторных и электретных микрофонов, которые можно без проблем приобрести, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Конденсаторные и электретные микрофоны

Из перечисленных микрофонов для разрабатываемого устройства подходят две модели — HMO0603A и HMO0603B.

2. Разработка структурной схемы устройства

В соответствии с техническим заданием и возможностями выбранных процессора и базовых компонентов устройство должно иметь:

USB-вход;

LCD-дисплей;

1 Гбайт встроенной памяти;

аудио выход и 2 миниатюрных динамика;

микросхему для зарядки аккумулятора и сам аккумулятор;

управляющие клавиши.

Характеристики базовых компонентов устройства позволяют также реализовать микрофон и аудио вход.

Управляющий микроконтроллер (процессор) должен обеспечивать взаимодействие всех компонентов устройства. Во-первых, он обеспечивает соединение с USB-портом. Во-вторых, управляет работой модуля F2M03MLA, отвечающего за мультимедийные и Bluetooth возможности устройства. В-третьих, обеспечивает работу с памятью устройства и выдает данные для отображения на LCD-дисплей. Для управления работой устройства в автономном режиме предназначены управляющие клавиши, сигналы которых должны поступать процессору устройства.

Модуль F2M03MLA выводит звук либо на проводные наушники или на миниатюрные динамики, либо на беспроводные наушники. Также он обеспечивает запись звука через аудио вход или микрофон. Модуль представляет собой полностью законченное схемотехническое изделие, и его программируемые линии ввода/вывода уже сконфигурированы для приема некоторых управляющих сигналов, таких как повышение, понижение уровня звука, стоп и воспроизведение. Следовательно, клавиши управления уровнем звука можно подключить не к управляющему микроконтроллеру устройства, а к модулю F2M03MLA. Это позволит наиболее полно использовать возможности модуля и даст некоторое преимущество в скорости выполнения функций управления уровнем звука.

Питание всех перечисленных компонентов обеспечивается через USB-вход. Если же устройство используется в автономном режиме, то питание осуществляется аккумулятором. Зарядка аккумулятора осуществляется через USB-порт посредством специальной микросхемы.

Таким образом, данные от USB-порта (компьютера) будут поступать через USB-вход устройства управляющему микроконтроллеру, и далее через него будут подаваться на входы Bluetooth аудио модуля либо встроенной памяти. Аналогично, данные будут поступать USB-порту в обратном направлении через процессор устройства.

Итак, получили следующую структурную схему устройства (рис. 1):

Рис. 1. Структурная схема устройства

3. Разработка функциональной схемы устройства

Судя по структурной схеме устройства необходимо проработать функциональные возможности соединения:

процессора устройства и памяти;

процессора устройства и LCD-дисплея;

процессора устройства и USB входа;

процессора устройства и управляющих клавиш;

модуля F2M03MLA и клавиш управления уровнем звука;

модуля F2M03MLA и комбинированных аудио входа и выхода, совмещающих в себе микрофон и динамики.

Также необходимо определить количество необходимых управляющих клавиш.

Рассмотрим функциональные схемы компонентов устройства и варианты их соединения между собой.

3.1 Обзор функциональных возможностей процессора устройства

Функциональная схема микроконтроллера AT91SAM7SE состоит из следующих частей:

JTAG-порт — для программирования микроконтроллера;

упреждающий диспетчер прерываний — для работы с 2 аппаратными прерываниями и 1 быстрым прерыванием;

DBGU-порт (фактически это двухпроводной UART-порт) — для тестирования и отладки прошивки микроконтроллера;

диспетчер управления питанием;

диспетчер сброса/восстановления;

таймер;

сторожевой таймер;

таймер реального времени;

3 диспетчера линий ввода/вывода;

2 USART-порта;

SPI-порт;

таймер/счетчик;

аналого-цифровой преобразователь;

регулятор напряжения питания;

SRAM-память;

Flash-память;

интерфейс быстрого программирования;

программа-загрузчик SAM-BA — обеспечивает легкое программирование Flash-памяти, обеспечивает графический интерфейс пользователя;

интерфейс внешней шины — для подключения внешней памяти; содержит SDRAM-диспетчер, диспетчер статической памяти и диспетчер коррекции ошибок;

USB-порт;

диспетчер широко-импульсной модуляции;

синхронный последовательный диспетчер — для подключения внешних синхронных устройств;

TWI-порт.

Доступны 88 программируемых линий ввода/вывода.

Для организации соединения между процессором устройства и NAND Flash памятью нужно использовать интерфейс внешней шины. Соединение можно организовать по 8- или 16-разрядной мультиплексированной шине команд, адреса и данных.

Микроконтроллер AT91SAM7SE дает несколько возможностей для соединения с LCD-дисплеем:

через двухпроводной интерфейс TWI;

через диспетчер статической памяти.

Более удобен второй вариант, который позволяет организовать передачу данных по 8-разрядной шине данных.

Для соединения с модулем F2M03MLA также доступны несколько вариантов:

соединение по интерфейсу SPI;

соединение по интерфейсу UART.

Интерфейс SPI может обеспечить более высокую скорость передачи, чем UART. Основной трафик данных в устройстве представляет собой следующую цепочку: USB (память)>AT91SAM7SE>F2M03MLA. Таким образом, использование интерфейса SPI предпочтительнее.

USB-порт управляющего микроконтроллера состоит из двух линий данных. USB-вход также содержит две линии данных, линии заземления и питания. То есть, организация соединения не вызывает дополнительных вопросов.

Три диспетчера линий ввода/вывода и упреждающий диспетчер прерываний предоставляют в сумме 91 линию, которые могут использоваться для обработки прерываний.

Для устройства требуются следующие клавиши управления (кроме клавиш управления уровнем звука):

воспроизведение или вверх;

стоп или вниз;

на одну композицию вперед или вправо;

на одну композицию назад или влево;

вызов меню/пауза или кнопка подтверждения какого-либо действия.

На рис. 2 показано расположение данных клавиш.

Рис. 2. Расположение управляющих клавиш устройства Часть управляющих клавиш, наиболее используемых, можно использовать вместе с линиями обработки прерываний диспетчера прерываний. К примеру, воспроизведение, меню и стоп. Остальные клавиши нужно использовать вместе с диспетчером линий ввода/вывода.

Клавиши управления уровнем звука будут использовать линии ввода/вывода модуля F2M03MLA.

3.2 Обзор функциональных возможностей модуля F2M03MLA

Функциональная схема модуля состоит из:

порта PCM, предназначенного для обмена речевыми данными;

SPI-порта;

UART-порта;

8 программируемых линий ввода/вывода, из которых 3 могут использоваться в качестве линий I2S интерфейса для подключения внешней памяти;

аудио интерфейса, содержащего 4 линии для входа и 4 линии для выхода аналоговых звуковых данных;

Bluetooth антенны.

4 выходных аудио линии могут использоваться для комбинированного аудио выхода, совмещающего динамики и выход для проводных наушников.

2 входных аудио линии могут использоваться для комбинированного аудио входа, совмещающего микрофон и линейный моно аудио вход.

2 программируемых линии могут использоваться для подключения к ним клавиш управления уровнем звука.

Обмен данными и командами между управляющим микроконтроллером и модулем будет происходить по интерфейсу SPI с использованием алгоритма временного разделения команд и данных, то есть сначала передаются команды, а затем данные.

3.3 Функциональная схема устройства

Таким образом, получили следующую функциональную схему устройства:

двухпроводное соединение процессора устройства и USB-порта;

8-разрядная двунаправленная мультиплексированная шина команд, адреса и данных для подключения NAND Flash памяти к управляющему микроконтроллеру устройства, линии управления работой памяти (раздел 4.5);

8-разрядная однонаправленная шина данных для выдачи процессором устройства данных LCD-дисплею, линии управления работой LCD-дисплея (раздел 4.5);

соединение модуля F2M03MLA и процессора устройства по интерфейсу SPI;

обеспечение комбинированного аудио выхода с использованием 4 аналоговых аудио линий;

обеспечение комбинированного аудио входа с использование 2 аналоговых аудио линий;

подключение к 5 программируемым линиям процессора устройства управляющих клавиш: воспроизведение, стоп, вперед, назад, пауза/меню;

подключение к 2 программируемым линиям модуля клавиш управления уровнем звука.

Полученная схема отображает передачу данных, управляющих сигналов и сигналов синхронизации между базовыми компонентами устройства, а также между самим устройством и внешним интерфейсом (USB). Функциональная схема устройства приведена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема устройства

4. Разработка принципиальной электрической схемы устройства

При разработке электрической схемы устройства необходимо учитывать электрические, механические и температурные особенности используемых компонентов.

Для разрабатываемого устройства необходимо реализовать:

схему соединения AT91SAM7SE с USB;

схему подключения питания к AT91SAM7SE256, F2M03MLA, NAND08GW3B2A и SG12864H;

схему подключения микрофона к F2M03MLA;

схему подключения кварцевого резонатора и PLL фильтра к AT91SAM7SE.

4.1 Расчет схемы подключения резонатора к AT91SAM7SE

Типичная схема подключения кварцевого резонатора от 3 до 20 МГц к микроконтроллеру AT91SAM7SE приведена на рис. 4.

Рис. 4. Типичное подключение кварцевого резонатора к AT91SAM7SE

Помимо резонатора требуется подключение внешнего фильтра второго порядка к PLL-входу микроконтроллера. Параметры фильтра влияют на частоту работы USB-порта устройства. Схема подключения фильтра приведена на рис. 5.

Рис. 5. PLL фильтр для AT91SAM7SE

Для обеспечения соединения с USB PLL должен быть запрограммирован на 48, 96 или 192 МГц. Чтобы обеспечить такие характеристики производитель предлагает следующие емкости и сопротивления PLL фильтра: C2=8.44 нФ, C1=76 нФ, R=980 Ом.

4.2 Расчет схемы подключения питания и USB входа к AT91SAM7SE

Atmel рекомендует следующую схему подключения питания (рис. 6):

Рис. 6. Типовая схема питания AT91SAM7SE

Во избежание пульсаций нужно использовать два конденсатора параллельно:

NPO-конденсатор 470 нФ или 1нФ — между VDDOUT и GND как можно ближе к микроконтроллеру;

X7R-конденсатор 2.2 мкФ или 3.3 мкФ — между VDDOUT и GND.

Для входа VDDIN также требуется использование входного разделительного конденсатора по возможности поближе к корпусу. Можно использовать два конденсаторы параллельно: NPO-конденсатор 100 нФ и X7R-конденсатор 4.7 мкФ.

Для подключения к USB Atmel рекомендует использовать схему, изображенную на рис. 7.

Рис. 7. Типовое соединение AT91SAM7SE c USB

Сопротивление R_EXT должно составлять 270 Ом. Использования линии ввода/вывода для мониторинга USB необязательно.

4.3 Расчет схемы подключения питания к F2M03MLA

Питание для F2M03MLA должно выбираться тщательно и может повлиять на уменьшение производительности модуля или даже повредить его. Производитель рекомендует использовать регулятор напряжения XC6209B332MR фирмы Torex. Напряжение должно иметь низкий уровень шума — менее чем 10мВ/мс между 0 и 10 МГц. Регулятор должен иметь время отклика не более 20 мкс.

Схема использования рекомендуемого регулятора напряжения приведена на рис. 8.

Рис. 8. Типовая схема использования XC6209×302

Современные аккумуляторы вполне соответствуют электрическим требованиям модуля, так же как и микросхема для зарядки аккумулятора MAX1811, отличающаяся надежностью и высокими характеристиками в отношении выходного питания. Поэтому использование дополнительного регулятора напряжения совсем необязательно.

4.4 Подключение микрофона к F2M03MLA

Для подключения микрофона к модулю F2M03MLA можно использовать 2 или 4 входных аудио линии. На рис. 9 показана схема с двумя используемыми линиями.

Рис. 9. Схема подключения микрофона к модулю F2M03MLA

4.5 Расчет схем соединения AT91SAM7SE с базовыми компонентами

В вышеизложенном материале данной главы были рассмотрены схемы подключения питания к основным компонентам разрабатываемого устройства и приведены характеристики дополнительных элементов, необходимых для обеспечения корректной работы устройства.

Теперь нужно рассмотреть электрические особенности сопряжения базовых компонентов устройства между собой.

Управляющий микроконтроллер устройства AT91SAM7SE соединяется с Bluetooth аудио модулем F2M03MLA по интерфейсу SPI, с микросхемой памяти — по интерфейсу подключения внешней памяти и с LCD-дисплеем при помощи встроенного контроллера памяти.

Рассмотрим подключение по интерфейсу SPI.

SPI (Serial Peripheral Interface, последовательный периферийный интерфейс) используется для синхронной последовательной передачи данных. Интерфейс, по сути, является сдвиговым регистром, который последовательно выдает биты данных другому SPI-устройству. Во время передачи данных, одно устройство «мастер» (master) управляет потоком данных, а другие устройства, действующие в подчиненном режиме (slave), получают либо выдают данные «мастеру».

Одно устройство «мастер» может управлять работой нескольких подчиненных устройств, для выбора определенного устройства используется сигнал. Подчиненные устройства работают в темпе, который задает устройство «мастер».

Интерфейс SPI использует две линии для данных и две линии для управления:

Master Out/Slave In (MOSI) — выход данных для «мастера» или вход для данных для подчиненного устройства; по этой линии данные от «мастера» могут поступать одновременно нескольким подчиненным устройствам;

Master In/Slave Out (MISO) — вход данных для «мастера» или выход для данных для подчиненного устройства; в один момент времени эта линия может использоваться лишь одним подчиненным устройством;

SPCK — эта линия используется для синхронизации; подчиненное устройство должно работать в темпе устройства «мастера»;

NSS — эта линия используется для выбора подчиненного устройства; таким образом устройство «мастер» инициирует обмен данными.

Микроконтроллер AT91SAM7SE может работать как в режиме master, так и в режиме slave. В режиме master к нему можно подключить 4 внешних slave-устройства.

Модуль F2M03MLA может использоваться только в режиме slave.

Схема использования интерфейса SPI между управляющим микроконтроллером AT91SAM7SE и другим SPI-устройством приведена на рис. 10.

Рис. 10. Использование интерфейса SPI для связи двух устройств Теперь рассмотрим способ соединения AT91SAM7SE c NAND Flash памятью. Для соединения микроконтроллера AT91SAM7SE и внешней 8-разрядной NAND Flash памяти можно воспользоваться схемой, изображенной на рис. 11, на котором также показана схема подключения питания к памяти.

Рис. 11. 8-разрядное соединение AT91SAM7SE c NAND Flash

Блок-схема памяти NAND08GW3B2A представлена на рис. 12.

Рис. 12. Блок-схема NAND08GW3B2A

Как уже упоминалось, используется интерфейс подключения внешней памяти (External Bus Interface, EBI). Для NAND Flash памяти используются следующие сигналы: