单片机创意小制作，ARM7音乐播放器

在校学习期间，教我单片机的王老师时常提起ARM处理器。她提醒我说，我们是计算机专业的，应该研究嵌入式系统。起因是，我喜欢单片机，而单片机偏偏在我们学校是电子系的专业。把单片机玩转了，对于计算机专业的我，就显得偏离专业了。那时，我还是头脑一热，在网上买了一个AT91SAM7S64最小系统。但是，一直没有像样地玩它。只是断断续续地写了几个简单的程序，像学习51单片机一样学它。随着时间的推移，它被遗忘在一边了。不过这几天在整理零碎时，我又开始注意到它了。

这次制作的主题是——做一款能够媲美山寨CD机的音乐播放器。随着MP3、MP4、手机、PMP等便携播放器的出现，在市场上很少看到专门卖CD机的柜台了。想想也是，现在马路上很少看到有人拿个硕大的CD机听音乐。最主要的原因，估计是CD光盘尺寸偏大，携带不便，所以现在听MP3的人越来越多了。但是，不管怎样，CD的音质还是相当好的。还记得去年，我制作了一款M8音乐播放器，朋友听了后，直接评价那音质不行。我解释说，那是8位的播放器，还是被他鄙视了。太伤我心了。于是，我又琢磨着做一款新的播放器，希望它超过普通MP3的音质。这回做好后，又特意给那位朋友试听了一下，这次他评价说，这音质的确超过普通MP3了。下面我会和大家分享制作它的过程。

主要芯片介绍

这次制作的音乐播放器使用了TI公司的PCM1770，它是24位低功耗立体声音频DAC。由于它能够直接驱动耳机，所以选择它作为音频解码器。当耳机的阻抗为16Ω时，它的输出功率为13mW。PCM1770使用的电源范围为1.6～3.6V，支持标准的I2S音频接口。对DAC的操作是通过SPI接口实现的。它的音量也由软件控制，音量控制一共分为64个等级。

电路的处理器使用Atmel公司的AT91SAM7S64。它有64KB的FLASH程序存储器，16KB的内部SRAM，是高性能的32位RISC架构的ARM7处理器，最高工作频率可达55MHz。它一共有64个引脚，PIO控制的I/O驱动电流可以达到8mA，PA0～PA3可以达到16mA，但所有I/O电流之和不能超过150mA。这款处理器具有SSC同步串行控制器，支持I2S标准，也有SPI接口，可以设定8到16位的数据长度，每个SPI接口有4个片选线。这样，处理器与DAC解码器的数据传输、控制命令的发送都可以在硬件上连接实现。

可实现功能

这个制作完成后，将CD音质的WAV文件复制到SD卡内，文件必须存放在根目录下。程序通过AT91SAM7S64的SSC串行控制器，把音频的数据流通过SSC接口传输到TI的音频DAC上。这样，耳机就播放出动听的音乐了。播放器使用普通的微动按钮控制，一共用了5个按钮，分别实现音量、选曲、播放、暂停等控制。

工作原理

整个制作，由图11.1所示的AT91SAM7 S64 最小系统(左边)、洞洞板(中间)和转接成DIP封装的PCM1770 DAC(右边)组成。

图11.1 制作所需的各部分实物

这款音乐播放器的工作原理并不复杂。主要由5大部分组成：

(1)AT91SAM7S64最小系统，比51单片机最小系统稍微复杂些。

(2)PCM1770 I2S音频解码器，用于驱动耳机或音响，播放音乐。

(3)SD卡存储卡，存放44.1kHz/16位的WAV格式的音乐文件。

(4)5个普通的微动按钮，功能分别为：控制音量、前后选择音乐和播放/暂停音乐。

(5)简单的用稳压芯片将5V的USB电源转换成3.3V的电路工作电源。

音乐播放器的原理图如图11.2所示，可分为5大部分：左上角为稳压电路，左下角为5个微动按钮，右上角为SD卡，右下角为TI的音乐DAC芯片，中间的就是AT91SAM7S64的最小系统了。

图11.2 电路原理图

它使用1117-3.3V的稳压芯片，把USB接口的5V电源转换成3.3V。4个电容起到滤波作用。稳压芯片可以采用SPX1117-3.3V、LM1117-3.3V或AMS1117-3.3V。如果使用有极性的电解电容，不要粗心地把正负极性弄反。

这5个微动按钮排列成经典的上下、左右、中间的十字结构，它的控制功能大家很容易理解，分别是上下为音量控制、左右为切换歌曲控制、中间为暂停/继续播放控制。

3. SD 卡

使用了它的SPI接口，直接和ATM7的SPI接口的NPCS0、MOSI、MISO、SPCK连接，在程序中我使用了系统时钟16.9344MHz作为SPCK时钟，这样它的传输速率才可以超过CD音乐格式标准的数据流速度。

4. TI的DAC

这是这个系统最关键的地方，它需要SPI接口控制它，同时又需要I2S接口给它提供数据流。它的SPI控制接口与AT91SAM7S64的NPCS1、MOSI、MISO、SPCK引脚相连，程序通过拉低 NPCS0 与 NPCS1 这两个引脚来片选 SD 卡或 DAC 芯片。在传输数据时，可以拉低不同的片选信号来指定传输的方向。DAC的LRCK、DATA、BCK接口分别与RAM7的TF、TD、TK连接。但由于DAC芯片还需要系统时钟，它可以是128fs、192fs、256fs或384fs(fs为音乐的采样率，如44.1kHz采样率)。所以，我通过ARM7的PCK0引脚输出384fs频率的时钟。最后，还可以通过控制DAC的PD引脚为0，让DAC休眠，减低它的功耗。

5. AT91SAM7S64 最小系统

正确连接好处理器各内部控制器的电源，如VDDFALSH、VDDIO、VDDCORE、VDDPLL等，确认USB的D+上拉电阻到3.3V。在播放44.1kHz音乐时，确认使用的是16.9344MHz晶体(在下载程序时使用18.432MHz)。最后，在AT91SAM7S64的PLL RC引脚上连接 PLL滤波用的电容。这样，ARM7上电后就能运行代码了。

AT91SAM7S64的电源系统比较复杂，但还好仅仅需要单一的3.3V电压，即可解决所有供电问题。电源使用USB的5V电压，经过1117-3.3V稳压芯片稳压，然后给DAC、AT91SAM7S64、SD卡供电。AT91SAM7S64还需要1.8V的电源电压，好在它内部集成的电压调节功能，能输出1.8V电压。

AT91SAM7S64处理器只要正确连接好需要的2种电源电压(3.3V、1.8V)，焊接上18.432MHz的外部晶体，并且连接上简单的USB接口电路，在物理上就能够下载程序了。注意，当使用18.432MHz的外部晶体时，烧录文件才能通过USB接口下载。但由于音乐播放器需要16.9344MHz的外部晶体，才能以正常的速率播放CD采样率(44.1kHz)的音乐。因此，下载好程序后，还需要切换晶体。这一步麻烦些。

程序首先初始化AT91SAM7S64的SPI接口和SSC接口，并使能PIOA引脚(连接按钮的引脚)和SSC接口(I2S接口)的中断。等初始化接口完毕后，程序才能通过已经正确配置的接口，初始化音频DAC、SD卡设备。等这些操作完成后，程序会通过读取SD卡的特定扇区，识别文件系统种类，并搜索根目录下的第1个音乐文件。最后，通过按钮控制，实现音乐的播放。

使用方法

先要格式化SD卡，使用FAT(FAT12与FAT16的合集)或FAT32都可以。然后，复制44.1kHz、16位的WAV音乐到SD卡上(注意，请复制到根目录)。插上USB电源后，按中间的播放/暂停按钮播放音乐(音乐播放器在上电时不能自动播放，还需要按下播放/暂停按钮才能播放)。

烧录文件的下载与使用

1. 引导代码简介

AT91SAM7S64内部含有一段叫SAM-BA BOOT的程序，它在出厂时已被固化，不会被擦除，也不会被改变。在特定的条件下，它会被复制到内部Flash中，这个复制的过程叫系统程序恢复。系统程序恢复后，下一次上电或手动复位时，SAM-BA BOOT代码就会运行了，它使用片上集成的USB或DEBUG串口与上位机通信，实现自编程。

2. 恢复启动代码

在PA0、PA1、PA2、TST这4个引脚保持高电平的状态下，上电并等待10s。由于上电时PA0、PA1、PA2默认上拉电阻使能了，所以这3个引脚可以悬空。而TST引脚内部下拉电阻使能，因此需要通过外部电路将TST引脚拉高。

10秒后当芯片再次上电时(记得恢复TST引脚为低电平)，就会运行SAM-BA BOOT程序了。这时，把芯片的USB接口连接上电脑，电脑上就会发现新硬件，并自动安装驱动。当然，前提是你在电脑上已经安装了SAM-BA ISP下载软件。

3. 关于 ERASE 引脚

上电时ERASE引脚的上拉可以用来擦除内部Flash的安全位，并且会在50ms的时间内完成。它的作用是使整个内部Flash存储器的内容被清除掉。当完成这些操作后，安全位才会清除。

当你使用SAM-BA对器件编程后，执行了Enable Security Bit操作，即编程了Flash安全位，那么下一次恢复系统程序前必须拉高ERASE引脚。

4. SAM-BA 软件使用

首先，安装SAM-BA ISP软件，它会连同驱动一起安装的。这样，当把已经恢复启动代码的ARM7插入USB接口时，驱动即可自动安装，并在设备管理器里多出如图11.3所示的设备。

然后，双击软件运行，出现图11.4所示的运行画面。选择图11.4所示的连接方式“\usb\ARM0”和开发环境“AT91SAM7S64-EK”后，按“Connect”后连接。接着，烧录软件的主界面就会跳出，如图11.5所示。

图11.3

图11.4

图11.5

然后，点击“Send File”按钮，选择烧录用的BIN文件。最后，点击“Send”发送即可。期间会弹出扇区解锁确认和扇区锁定确认对话框，点击“Yes”即可。

几秒后，程序就烧录完毕了。重新上电后，音乐播放器的代码就能成功运行了。

制作简介

其实，整个制作对刚学习ARM7处理器的人也不难。买一个AT91SAM7S64的最小系统，它的32个PIO口一般都会引出来的，并用插针连接。只需要自己做底板，焊接好插座，就能方便地合并了。

我做的这个底板是用万用板制作的，尺寸大约是10cm×10cm。仔细观察的朋友，还会发现，这个底板的功能不仅仅是特意用来做音乐播放器的，还可以做许多关于ARM7的小实验。

底板的反面我用绝缘导线连接线路，这也是我目前喜欢的做法(见图11.6)。如果觉得难看，大家还可以自制PCB的底板，这样也能轻松焊接。

为了使自己的制作更美观，我又在网上买了片1.8mm厚的有机玻璃板。用小锯切割成10cm×10cm大小后，用砂纸仔细打磨。打磨好后在合适的位置上钻孔，最后用2mm的螺丝和对应的铜座固定，这个制作的外观就完成了(见图11.7)。

大家会发现制作的正面还有一根飞线，这是由于我买的最小系统，3.3V的电源插针没有向下引出，只好拿了条杜邦线连接到底板了。

图11.6 用绝缘导线连接底板背面的线路

图11.7 用有机玻璃制作播放器的外壳

单片机实例分享，自定义提醒闹钟

图14.1 电子钟

想起那时刚学习单片机，仅仅会写几段汇编代码。后来的几个月，自己也学写了一个电子钟程序，不过做得非常简陋，也没使用什么时钟芯片，仅仅通过单片机的定时器来累计计时，功能上实现了时、分、秒的显示以及简单的闹钟功能。不过，我还真是怀念以前学习单片机的美好时光，也很高兴那时自己能专心学习单片机。后面我也做了一款像样的电子钟(见图14.1)，在下面的内容里，我会和大家分享制作它的过程。

零件清单

零件清单是制作这款电子钟的基本元件，还有一些边角料，不再列出。从零件列表(见表14.1)中大家可以看出，整体的成本不超过80元。不过，最近这段时期，AVR单片机涨价厉害，在网上也要18元左右才能买到。如果液晶屏在淘宝网上购买的话，建议以关键字ST7565搜索，这样才能搜索到ST7565控制器的128×64液晶屏。至于其他零件比较常用，一般电子市场都能购买得到。

图14.2 零件全家福

表14.1 材料表

电路原理

如图14.3所示，微控制器(MCU)我选择了AVR单片机的Atmega8，因为比较熟悉。它的程序存储器大小为8KB，数据RAM大小为1KB，工作电源电压范围为2.7~5.5V，最大工作温度为+85℃，最小工作温度为-40℃。时钟芯片选择DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V。采用三线接口与MCU进行同步通信。最后，通过使用SD卡的SPI模式和单片机的SPI接口连接，进行数据交换。SD卡相当于容量很大的SPI接口的FLASH，在制作过程中，也可以替换成大容量的FLASH芯片。128×64液晶仅仅需要4根线和单片机连接。由于使用的控制器是ST7565，它不带中文、英文字库，因此需要自己建立字库。但这种液晶屏价格便宜，外观也很小巧。我购买的这款液晶屏，背光是橘黄色的，到了晚上会发出迷人的光泽。

图14.3 电路原理图

工作原理

在制作之前，我先介绍一下它的工作原理。控制芯片使用的是AVR的atmega8单片机，简称M8。大家也可以使用熟悉的51单片机(程序可以到本书配套光盘中下载，大家根据需要自己修改或移植)。程序通过读取SD卡内的TXT文件，显示每天需要提醒的内容。因此，可以通过电脑，方便地修改提醒的内容，如节日、生日、纪念日等。不必再为了修改液晶屏上的提醒内容而特意修改程序代码，仅仅通过编辑TXT文件即可。SD卡是通过它的SPI接口和单片机进行数据交换。液晶屏使用的是串口128×64的黑白液晶屏，控制器是ST7565，它和单片机连接也仅仅需要4个I/O口。时钟芯片使用的是DS1302，大家对它应该不陌生吧。时钟芯片通过3个I/O口和单片机连接，电源使用USB接口的5V电源，经过1117-3.3电源稳压芯片转换成3.3V电压，供给单片机、液晶和SD卡使用，大家也可以使用3.3V的电源直接供电。这款电子钟通过两个按钮实现时间和闹钟的设置。当时钟正常运行时，第2个按钮可以单独开启闹钟或关闭闹钟。

使用方法

(1)在计算机的WinXP系统下把SD卡格式化成FAT文件系统。

(2)先复制字体到SD卡内，这样才能在液晶上显示中文。

(3)在根目录下新建“提醒.txt”文本文件。

(4)在文件内写入一行内容，如下：****-02-13"明天是情人节"，这样每年的2月13号，电子钟就会提醒你明天是情人节了。

大家会发现，这款电子钟没有农历的显示，如果要显示农历怎么办呢?如果朋友的生日是按农历来算的怎么办呢?其实也挺简单的，通过在文件中写入公历和农历的对应时间关系即可。如：2010-02-13"农历2009-12-30"。注意：*号是通配符，表示任意的意思。例如：2010-**-**"虎年"，表示2010年的任意日期，都会显示虎年。

字库的制作及使用

这是本次制作的知识要点之一。GB2312是中国国家标准简体中文字符集，全称《信息交换用汉字编码字符集·基本集》，又称GB0，由中国国家标准总局发布，1981年5月1日实施。GB2312编码通行于中国大陆，新加坡等也采用此编码。中国大陆绝大多数中文系统和国际化的软件都支持GB2312。

GB2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个;同时收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个字符。GB2312的出现，基本满足了汉字的计算机处理需要。GB2312中对所收汉字进行了“分区”处理，每区含有94个汉字/符号。这种表示方式也称为区位码。

01~09区为特殊符号。

16~55区为一级汉字，按拼音排序。

56~87区为二级汉字，按部首/笔画排序。

10~15区及88-94区则未有编码。

举例来说，“啊”字是GB2312之中的第一个汉字，它的区位码就是1601。

在电脑上的TXT文本文件中，每个汉字及符号以两个字节来表示。第一个字节称为“高位字节”，第二个字节称为“低位字节”。为了和原有的ASCII码兼容，“高位字节”使用了0xA1～0xF7(把01~87区的区号加上0xA0)，“低位字节”使用了0xA1~0xFE(把01-94加上0xA0)。由于一级汉字从16区起始，汉字区的“高位字节”的范围是0xB0~0xF7，“低位字节”的范围是0xA1~0xFE，占用的码位是72×94=6768。其中，有5个空位是D7FA~D7FE。例如，“啊”字在文件中会以两个字节“0xB0(第一个字节)0xA1(第二个字节)”储存。

制作步骤

1 按图在洞洞板上安插好各个元件，并插上已经烧录好程序的芯片。

2 根据电路原理图，依次连接导线

3 将各个组件准备好了后，就可以组装起来。

4 最后插上USB电源，就可正常工作了。

DIY的过程不仅仅是制作过程，还是一个让作品更美好的过程，为此，我又开始了这个自定义提醒闹钟的美化过程。

将钢丝弯曲成如图的形状，在钢丝上拧上螺丝，在万用板上也拧上螺丝。

用内六角扳手、普通扳手拧紧螺丝。

那么如何定位字库中的点阵数据呢?文件编码的区码范围是从0xA1(十六进制)开始，对应区位码中区码的第一区，第二个字节为汉字的位码，范围也是从0xA1(十六进制)开始，对应某区中的第一个位码。就是说，将汉字编码减去0xA0A0就得到该汉字的区位码。例如，汉字“啊”的机内码是十六进制的“0xB0A1”，其中前两位“0xB0”表示编码的区码，后两位“0xA1”表示编码的位码。所以“啊”的区位码为0xB0A1-0xA0A0=0x1001，将区码和位码分别转换为十进制16和01，得到汉字“啊”位于第16区的第1个字的位置，那么点阵数据在文件中的位置为第“32×[(16-1)×94+(1-1)]=45120”以后的32个字节。这就是“啊”的显示点阵需要的字节数据了。其中，32为16×16点阵的取模字节数，表示32字节大小。单片机通过取这连续的32个字节，送到LCD的相应位置，就能正确显示汉字、图形符号了。

最后，使用字库生成工具，就能生成自己需要的字库了。这样的工具软件在网上有许多，请自行选择。我使用未注册的“汉字取模字库生成”小工具，使用次数有一定的限制，但偶尔用于生成字库还是够用的。由于这款液晶显示数据是1列(8个点)为一个地址单位的，而不是1行(8个点)或点地址为单位。因此，取模时需使用纵向(列)取模方式取模，这样方便后期程序的编写。当然也可以直接选择“@宋体”这类字体。通过工具预览后，你会发现，这种字体旋转了90°。点击生成字库，在弹出的菜单中输入的路径和文件名。按“确认”后就会生成需要的字库了，注意后缀名为.dot。程序读取经过旋转后的32字节字体数据，即点阵列数据，就能显示一个汉字了。

存储整个字库数据是个难点，GB2312汉字库有200多字节的大小，单片机的FLASH可是没有足够的空间用来保存它。那么怎么办呢?其实，方法也挺多的。有一种实用、简单、方便的方法就是外接FLASH存储芯片。如SST25VF020、AT45DB161等，它们都是串行接口，可以节省许多I/O，读取速度也够快，但增加了制作成本。还有一种方法，可以直接放在SD卡内，但程序会复杂很多。同时，显示字体的速度也没外接FLASH快。不过最后我还是选择了第2种方法，以后的小制作中再试试第1种方法。

为了让电脑和单片机互相交换数据容易些，需要把SD卡格式化成FAT文件系统，然后单片机解读SD卡格式化后FAT文件系统，在此基础上再读取txt文件，最后调用相应的字库数据在液晶屏上显示。具体如何实现，请读者朋友自行分析源代码。源代码可到本书配套光盘上下载。

编程说明

当我烧录完程序后，迫不及待地要运行这个电路了。把电子钟插上电源后，程序会先初始化硬件(液晶、SD卡和时钟芯片)。之后会读取单片机EEPROM里的闹钟信息，没有的话会新建初始化内容，并写入EEPROM。最后，液晶就会分4行显示时间、日期、星期和闹钟。当有提醒信息时，闹钟时间和提醒的内容会交替闪烁。在程序的循环体内，程序会定时读取SD卡内的TXT文件，如果TXT文件内定义的日期和时钟芯片的日期一致，那么单片机会读取文本文件内对应的显示内容，并在液晶的第4行显示。如果没有相等的日期，单片机会显示默认的字符串“MADEBYZBJ”，大家可以改成自己定义的字符串。

电子钟的右侧有4个按钮，但是本次制作只使用了上面2个按钮，另外2个按钮功能未用。这4个按钮的一端都连到了单片机的中断引脚，并把这个中断引脚设置为上拉，在程序中等待下降沿中断。按钮的另一端和单片机的4个普通I/O连接，这4个I/O设置为低电平。当按钮按下时，就会引发下降沿中断，此时程序修改中断，引为低电平，并把4个普通I/O口上拉，再分别读取4个引脚的电平状态。如果，某个引脚读到低电平，就可以判断对应的这个按钮按下了。最后，等待按钮的释放，不断循环此过程。

当时钟在运行状态时，按第1个按钮，将会进入时钟设置状态，再次按下第1个按钮，就会进入下一个设置选项，以此类推，直到退出最后一个选项(注意闹钟关闭状态，不会进入闹钟设置选项)，这样电子钟就会退出设置状态，再次进入运行状态了。电子钟在设置状态下，设置的项目会反显，可以通过按第2个按钮，改变设置的数值。

当时钟在运行状态时，按下第2个按钮，闹钟将会开启或关闭，这取决于原来的状态。在液晶屏上会显示相应的闹钟状态信息。闹钟数据虽然保存在M8单片机的EEPROM中，但不会直接使用。当单片机上电运行时，会自动载入RAM中使用，这样是为了延长EEPROM的使用寿命。但当RAM中的闹钟数据改变时，修改的数据才会同步更新，写入EEPROM。程序会比较RAM中的闹钟时间和时钟芯片的时钟是否一致，当两者一致时，闹钟就会“嘀嘀”地叫了。至于鸣叫多久，大家可以根据自己的需要修改程序中的设置。

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