Комбинированное звуковое USB-устройство с функциями автономного MP3-плеера и поддержкой Bluetooth (стр. 5 из 17)
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 NANDFlash 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 SPIпредпочтительнее.
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 NANDFlashпамяти 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 USBPLL 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 USBAtmel рекомендует использовать схему, изображенную на рис. 7.
Рис. 7. Типовое соединение AT91SAM7SEcUSB
Сопротивление REXT 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 XC6209x302
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 AT91SAM7SEс базовыми компонентами