Устройство цифровой записи речи цифровой диктофон (стр. 3 из 5)

Рис 8. Выходной ШИМ сигнал

Пользователь может управлять устройством через три кнопки: «Очистка», «Запись» и «Воспроизведение». Если кнопки не нажаты, то внутренний нагрузочный резистор обеспечивает VCC на PС4…PС6. Нажатие кнопки переключает входную линию на GND.

В качестве обратной связи для пользователя выступает светодиод, отображающий состояние системы.

Кварцевый резонатор с двумя развязывающими конденсаторами (22 пФ) генерирует системные тактовые импульсы.

Микрофонный усилитель является простым инвертирующим усилителем. Коэффициент усиления устанавливается через R1 и R9 (коэффициент усиления = R1/R9). R4 предназначен для питания микрофона, а C1 блокирует любые DC составляющие на входе усилителя. R2 и R3 устанавливают смещение. R5 и С8 формируют простой фильтр нижних частот первого порядка. Также R5 защищает усилитель от любых повреждений, если выходная цепь закорочена.

C3 блокирует любую DC составляющую на входе динамика.

Настройка

Когда программа запущена, порты должны быть настроены. Это делается в подпрограмме «setup» (установка).

Протокол SPI определяет одно устройство как «ведущее», а другие устройства, подключенные к «ведущему», как «ведомые». В данном примере, микроконтроллер AVR выступает в роли «ведущего», а DataFlash в роли «ведомого».

SPI интерфейс AT90S8535 определён как альтернативная функция PortB (PB0…PB4). В данном примере, управляющие сигналы для DataFlash являются также настроечными на PortB (PB0…PB2 и PB4). Для установок «ведущего», сигналы Serial Clock(SCK), Master Out/Slave In(MOSI), Chip Select(#CS), Write Protect(#WP) и Reset(#RST) являются выходами, тогда как Master In/Slave Out(MISO) и Ready/Busy(RDY/#BSY) являются входами. Состоянием по умолчанию PortB является: всех выходы в высоком состоянии, а на всех входах - внутренние нагрузочные резисторы.

АЦП AT90S8535 подключено к PortA. Поэтому PortA определён как вход в высокоимпедансном состоянии.

PortС служит в качестве входа для кнопок.

.

ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

УСТРОЙСТВА

Микропроцессор MCU (AT90S8535) управляет через порт В работой FLASH - памяти DD1 Так как в процессоре имеется аппаратная поддержка SPI протокола, то микросхема памяти, работающая по этому протоколу непосредственно подключается к выводам микроконтроллера DD2 miso, mosi, sck.

В режиме хранения информации микроконтроллер и микросхема памяти переключаются в спящий режим - микроконтроллер путем выполнения специальной команды, а микросхема памяти путем удержания микроконтроллером сигнала #cs в высоком уровне.

Микросхема памяти и микропроцессор выполнены по КМОП - технологии, что позволяет их непосредственно питать от аккумуляторных батарей небольшой емкости, которые подключаются через разъем Х1.

Для обеспечения работы процессора на частоте 8 МГц применены элементы BQ1 - кварцевый резонатор и конденсаторы С8 и С9.

Опорное напряжение для АЦП берется напрямую с шины питания. Изменение его значения не приведет к структурному искажению сигнала, а только к его масштабированию.

Сигнал от микрофона усиливается микросхемой DA1 и подается на вход АЦП. Усилитель DA1 также охвачен частотно- зависимой отрицательной обратной связью, для того чтобы ограничить верхнюю частотную границу входного сигнала до 4 кГц.

К порту С микроконтроллера подключаются кнопки управления и светодиоды для индикации режимов работы устройства.

К разъему Х1 подключается аккумуляторная батарея для питания устройства. Конденсаторы С1 и С2 служат для сглаживания пульсаций по цепи питания, которые могут возникнуть при протекании динамических процессов внутри микросхем.

Главный цикл

В главном цикле, отслеживается состояние всех трёх кнопок. Если одна из них нажата, то LED загорается и показывает, что система занята, и вызывается соответствующая подпрограмма.

Дополнительный цикл выполняется до тех пор, пока кнопка нажата, в качестве программной противодребезговой защиты для функций «Очистка» и «Воспроизведение».

Во время главного цикла, LED погашен, это значит, что система работает в холостом режиме.

Рисунок 11. Главный цикл

Очистка

Data Flash может быть предварительно очищена.

Рисунок 12. Очистка

При вызове подпрограммы «erase» (очистка), устанавливается флаг, который показывает, что в следующем цикле записи новые данные могут быть сохранены в начале DataFlash.

SPI должен быть установлен для доступа к DataFlash. Здесь не используются прерывания. Порядок данных для DataFlash следующий: MIB является первым, а AT90S8535 - «ведущим».

DataFlash принимает либо сигнал SCK, который находится в низком состоянии, когда #CS переключается из высокого в низкое состояние (SPI режим 0), либо сигнал SCK, который находится в высоком состоянии, когда #CS переключается из низкого в высокое состояние (SPI режим 3), во время положительной фазы тактовых импульсов. В данном примере SPI установлен в режим 3. Для того чтобы получить наибольшую скорость передачи данных, выбирается наименьшее деление тактовой частоты, шина SPI запускается на частоте 2 МГц, если используется кварцевый генератор с частотой 8 МГц.

Для выполнения очистки блока, линия #CS переводится в низкое состояние и в DataFlash, следом за двумя зарезервированными битами (нулями), загружается код операции 0x50, затем 9-разрядный адрес блока и 13 не имеющих значения бит. Эта последовательность передаётся побайтно «ведомому». После каждого байта, регистр состояния SPI (SPSR) проверяется до тех пор, пока флаг прерываний SPI не покажет, что передача завершена. После записи всей последовательности, сразу после перевода линии #CS в высокое состояние, начинается очистка блока. Вывод Ready/Busy переводится памятью DataFlash в низкое состояние, до тех пор, пока блок не очиститься. Затем следующий блок будет очищен тем же самым способом, что и текущий. Очистка будет продолжаться, пока все 512 блоков не очистятся. Очищенные зоны читаются как 0xFF.

Запись

Подпрограмма записи состоит из установки АЦП и пустого цикла, который продолжается пока нажата кнопка «Запись». В данном примере используется вывод ADC0, для которого требуется, чтобы регистр выбора мультиплексора АЦП (ADMUX) был установлен в нуль. В регистре управления и состояния АЦП (ADCSR) разрешается работа с коэффициентом деления тактовой частоты 32, устанавливается режим одиночного преобразования, разрешаются прерывания, а также сбрасываются флаги прерываний. Аналого-цифровое преобразование начинается сразу. Первое преобразование занимает больше времени, чем последующие преобразования (832 тактовых импульса вместо 448). После этого времени, возникает прерывание АЦП, показывающее, что преобразование закончено, и результат может быть прочитан из регистра данных АЦП.

Аналоговый сигнал из цепи микрофона выбирается на частоте 15.686 Гц. Это та же самая частота, что и выходная (ШИМ) частота.

Для достижения частоты выборки 15.686 Гц, выборка должна происходить каждые 510 циклов (15.686 Гц x 510 = 8 МГц). Для получения одного результата АЦП, нужно каждые 510 циклов запускать АЦП в режиме одиночного преобразования с коэффициентом деления частоты 32. Одиночное преобразование занимает 14 циклов АЦП. Поэтому преобразование будет готово после 14 x 32 = 448 циклов.

Когда преобразование закончено, возникает прерывание. Процедура прерывания выполняет цикл для заполнения пустых 62 циклов (510–448), перед началом нового преобразования.

Результатом 10-разрядного преобразования является величина на входе АЦП, которая появляется через 2 цикла после начала преобразования. Эти 10 бит перекрывают диапазон от AGND до AREF (в данном примере от 0 до 5В). Выходной сигнал цепи микрофона ограничен диапазоном 2.3В…3.5В. Поэтому из результата 10-разрядного преобразования вычитается минимальное входное напряжение. Это 0x1D5 для 2.3В. Часть данных, представляющих сигнал величиной выше 3.5В, убирается путём удаления двух MSB. Это делается автоматически, когда результат преобразования передаётся в подпрограмму «запись во флэш», так как эти переменные «flash_data» определяются типом «char» (8-бит). Последние 8-бит данных должны быть записаны в DataFlash перед следующим прерыванием преобразования.

Рисунок 13. Запись

Запись данных в DataFlash

Рисунок 14. Запись в DataFlash

Запись данных в DataFlash производится путём записи сначала в буфер, а, когда этот буфер будет заполнен, его содержимое запишется в одну страницу главной памяти.

В подпрограмме «write_to_flash» переменная «j» соответствует номеру байта в буфере, а переменная «k» номеру страницы, в которую будет записываться содержимое буфера. Если флаг новых данных показывает, что DataFlash пуста, то оба счётчика устанавливаются в нуль.

Если память уже содержит некоторые данные, то переменные показывают следующее свободное место в памяти, и гарантируют, что новые данные добавятся к содержимому памяти.

Для того чтобы защитить содержимое этих переменных при двух вызовах функций, они объявляются статическими переменными.

Для записи данных в буфер, линия #CS переводится в низкое состояние и в DataFlash загружается операционный код 0x84. Это следует за 14 не имеющими смысла битами и 10-битовым адресом положения внутри буфера. Затем вводятся 8-бит данных.

Эта последовательность передаётся «ведомому» побайтно. После каждого байта проверяется регистр состояния SPI (SPSR), пока флаг прерывания SPI не покажет, что последовательная передача завершена. После записи всей последовательности линия #CS переводится в высокое состояние.