（计算机应用技术专业论文）基于stc单片机的视唱练耳互动系统的构建.pdf

、 基于s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 中文摘要 视唱练耳是音乐专业的- f - 重要的专业必修课程，如果掌握了多媒体这个先 进的教学手段，视唱练耳课程在技术上获得更多新的原动力，继而走进一个可持 续发展的领域。因此，将电脑音乐制作技术和多媒体系统应用到视唱练耳教学中， 已渐渐成为当代视唱练耳教师必须掌握的现代教学手段之一。为此，在本文设计 中主要构建一个视唱练耳互动系统，为学习音乐提供了丰富的平台。 。论文介绍了视唱练耳互动系统的开发背景，系统框架的设计、硬件系统的设 计、软件系统的设计、素材创建和存储设计，最后结合当今嵌入式先进技术的发 展对该开发平台做了展望。 本设计的主要的工作有素材创建和存储，系统硬件电路设计和制作、系统软 件设计和系统调试。通过构建该视唱练耳互动系统，充分地将本专业所学习的理 论和技术应用于其中。 素材库的基本内容来自视唱练耳的教学内容，其中包括视唱和练耳两大类。 素材库中数据的格式有m i d i 声音、2 5 6 色b m p 图片2 种，同时按难易程度安排 素材顺序。该素材库的建立一定会为本门课程的教学和学习提供了良好的平台和 丰富的资源。 另外，考虑到素材库的便捷实用，素材库信息的存储将选用一款常用的体积 小，重量轻的s d 卡，增强了系统通用性和实用性。素材库信息的读取和输出是通 过设计硬件接口电路，编写软件程序，下载、调试完成基本功能。 最后，素材库的信息量非常大，为了实现文件的读取和识别，这里还移植了 z n f a t 3 2 文件系统的相关内容，将素材库以文件目录的结构进行组织。 关键词：s d 卡，s t c 单片机，视唱练耳，文件系统，素材 t h eb u i l do fa na u r a l s i g h t - r e a d i n gi n t e r a c t i n g s y s t e mb a s e do ns t cs i n g l e c h i p a b s t r a c t a u r a l & s i g h t - r e a d i n gi sa ni m p o r t a n tc o m p u l s o r yc o u r s ef o rt h es t u d e n t sm a j o r i n g i nm u s i c i fw e g r a s p t h ea d v 锄c e d t e a c h i n g m e a n s - - - - m u l t i m e d i aa u r a l s i g h t r e a d i n gc o u r s ec a no b t a i nm o r en e wm o t i v i t yi nt e c h n o l o g y , t h e nw a l ki n t oa s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t f i e l d s o a p p l i n g 6 h e c o m p u t e rm u s i ct e c h n i q u e a n d m u l t i m e d i as y s t e mt oa u r a l s i g h t - r e a d i n gc l a s sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo fm o d e m t e a c h i n gm e t h o d sf o rt h ea u r a l & s i g h t - r e a d i n gt e a c h e r s f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e r p r i m a r i l yb u i l t a l la u r a l & s i g h t r e a d i n gi n t e r a c t i n g s y s t e m p r o v i d i n ga b u n d a n t p l a t f o r mf o r m u s i cl e a r n i n g i nt h i sp a p ei n t r o d u c t e dt h ee x p l o i t a t i v eb a c k g r o u n d ，f r a m e w o r kd e s i g n ，h a r d w a r e d e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g n ，m a t e r i a ld e s i g n ，m a t e r i a ls t o r a g eo ft h ea u r a l & s i g h t - r e a d i n g i n t e r a c t i n gs y s t e m f i n a l l y , u n i f i e st h ee m b e d d e dv a n g u a r dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t om a k et h ef o r e c a s tt ot h ep l a t f o r m 。 t h eg r o u n dw o r ki nm yt h e s i si n c l u d i n gm a t e r i a ld e s i g na n ds t o r a g e ，h a r d w a r e c i r c u i td e s i g na n dm a k e ，s o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e md e b u g a f t e rs t r u c t u r i n gt h ea u r a l & s i g h t r e a d i n gi n t e r a c t i n gs y s t e mc a na d e q u a t e l ya p p l yp r o f e s s i o nt h e o r ya n d t e c h n i q u et ot h i st h e s i s 、 t h eb a s i cc o m p o n e n t so fm a t e r i a l sd a t a b a s ei sc o m ef r o mc o n t e n to fc o u r s e so f a u r a l & s i g h t - r e a d i n g ，i n c l u d i n gs i g h t s i n g i n ga n de a r - t r a i n i n gt w om a j o rc a t e g o r i e s t h ed a t af o r m a ti n c l u d i n gm i d i 、b m pp i c t u r eo f2 5 6c o l o r s i m u l t a n e o u s l y , s e ta r a t i o n a lo r d e ra c c o r d i n gt h em a t e r i a l sc o m p l e x i t y t h ec r e a t i o no fm a t e r i a l sd a t a b a s e m u s to f f e rf a v o r a b l ep l a t f o r ma n da d e q u a t e l yr e s o u r c e sf o rt h et e a c h i n ga n dl e a r n i n g o f a u r a l & s i g h t - r e a d i n g i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a b i l i t yo fm a t e r i a l sd a t a b a s e ， s e l e c t e dt h es dc a r do fs m a l l ，l i g h ti nw e i g h tt os t o r et h em a t e r i a l sd a t a b a s e i n f o r m a t i o na n ds t r e n g t h e n e dt h ec o m m o n a l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fs y s t e m t h er e a d a n di d e n t i f i c a t i o no fm a t e r i a l sd a t a b a s ei n f o r m a t i o nb ym e a n so fd e s i g n i n gh a r d w a r e i n t e r f a c ec i r c u i t ，w r i t i n gs o f t w a r ep r o g r a m ，d o w n l o a d i n ga n dd e b u g i n gp r o g r a mt o a c h i e v e f i n a l l y , b e c a u s eo ft h ee n o r m o u si n f o r m a t i o nc o n t e n to fm a t e r i a l sd a t a b a s e ，i n o r d e rt oa c h i e v et h er e a da n di d e n t i f i c a t i o no ff i l e ，t h i sp a p e rt r a n s p l a n t e dt h er e l e v a n t p a r t so fz n f a t 3 2f i l es y s t e m s ，o r g a n i z e dt h em a t e r i a l sd a t a b a s ei nt h ef o r mo ff i l e d i r e c t o r y k e y w o r d s ：s dc a r d ，s t c s i n g l e c h i p ，a u r a l & s i g h t - r e a d i n g ， f i l es y s t e m s ，m a t e r i a l s 目录 第一章视唱练耳互动系统的构建l 1 1 系统的开发背景l 1 2 系统功能介绍2 1 3 论文章节安排2 第二章硬件系统的设计与实现”4 2 1 系统硬件设计思路4 2 1 1 总体电路设计4 2 1 2s d 卡接口电路设计一5 2 1 3 内存扩展电路设计6 2 2s t c l2 c 5 a 6 0 s 2 芯片介绍7 2 3s d 卡简介及接口实现”7 2 3 1s d 卡简介7 2 3 2s d 卡的存储结构：8 2 3 3s d 卡的通信模式选择1 0 2 3 4s d 卡的电路连接1 0 2 4 系统内存的扩展l l 2 4 1 内存扩展设计原理 1 2 4 2 内存扩展芯片介绍1 2 2 5 视频通信显示的实现：13 2 5 1 视频解码芯片的选择1 3 2 5 2 视频碌示的实现：1 4 第三章软件系统设计与实现1 6 3 1 系统软件设计总思路：”1 6 3 1 1 系统软件设计流程图1 6 3 1 2 系统软件设计框图1 6 3 2s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机初始化及串口通信的实现”1 7 3 2 1 串口初始化流程及软件设计1 7 3 2 2 串口数据发送流程及软件设计；1 9 3 2 3 串口数据接收流程及软件设计2 1 3 3s d 卡接口驱动实现2 3 3 3 1 卡的s p l 通信设计2 3 3 3 2s d 卡的s p i 通信时序介绍2 3 3 3 3s d 卡操作的基本命令2 6 3 3 4s d 卡与s t c 单片机通信实现：2 9 3 4f a t 3 2 文件系统实现 3 0 3 4 1z n f a t 3 2 文件系统的移植原理3 0 3 4 2z n f a t 3 2 文件系统的移植结构3 1 3 4 3z n f a t 32 _ 文件系统的移植过程3 2 第四章素材库的建立”3 4 4 1 简谱素材的创建3 4 4 1 1 选择调性3 4 。4 1 2 选择任意拍号3 4 4 1 3 设置乐曲的速度、音色及音量3 5 4 1 4 设置小节线的间隔3 5 4 1 5 开始创作3 5 + 4 1 6 基本的输入和编辑操作3 6 4 1 7 用键盘直接输入和编辑简谱音符3 6 4 1 8 运行与调试乐曲3 7 4 2 简谱素材的存储3 8 4 2 1 一i d i 音乐的保存3 8 。4 2 2 转换啊id i 3 8 ，4 2 3 图片素材的保存3 9 4 3 五线谱素材的创建一i 4 0 4 3 1 设置曲名4 0 4 3 2 选择调性4 0 4 3 3 选择任意拍号4 1 4 3 4 设置乐曲的速度、音色及音量4 1 4 3 5 添加小节线和设置小节线的间隔4 1 4 3 6 开始创作4 2 4 3 7 输入音符一4 2 4 3 8 添加升降号和附点4 3 4 3 9 设置组合音符4 4 4 3 1 0 圆滑线、延音线、连音的输入：4 4 4 3 11 添加重音记号、持续音记号4 5 4 4 五线谱素材的存储：4 5 4 4 1 保存歌曲4 5 4 4 2 转换m id i ：一4 6 4 5 素材举例4 6 4 5 1 简谱素材举例4 6 4 5 。2 五线谱素材举例4 7 第五章总结与展望4 8 5 1 系统测试与集成”4 8 5 2 总结与展望5 3 参考文献- 5 4 附匀之5 5 致谢5 6 基于s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 第一章视唱练耳互动系统的构建 1 1 系统的开发背景 视唱练耳课程作为- - f 启蒙课程，是进入音乐专业层次学习的必备训练和技 术性理论课程，历来受到从事音乐专业教育者的重视。每一个音乐专业学习者以 及音乐教育者，都要在此方面接受严格而规范的训练，才能更好地进行相关音乐 课程的学习。视唱练耳是学音乐必须掌握的技能，也是提高音乐素质不可或缺的 训练课程。视唱练耳课程中融合了基本音乐理论与视唱练耳的内容，大体分为 视唱训练和听觉训练两大部分。通俗地讲，“视唱”就是看着乐谱( 简谱或五线 谱) 就能唱的技能，演唱时要求达到能够音高准确、节奏准确、有表现力地完整 唱出；而“练耳”主要是对听觉的训练，通常是对钢琴上弹奏出来的音进行听辨， 训练学生靠听觉分辨音程、和弦、节奏，并能把听到的音或曲调用五线谱准确记 录下来的能力。 传统的视唱练耳教学乜1 都以钢琴为音色主体、伴奏主体的视唱训练和以其为 打击乐器使用的练耳训练。由于受到教学条件等的限制和传统教学模式的影响， 高校视唱练耳课程的教学效果并不明显。而且随着时代的发展，当代数字化音乐 环境中音乐文化呈现出的多元性和学生的接受能力已远远超出了教育者的想象。 因此，传统的教学模式已远远不能适应日益发展的音乐文化。近年来，随着电脑 的普及、多媒体技术的运用，为高校的视唱练耳课程的教学手段带来了改革n 1 。 现在随着逐步成熟的计算机音乐制作技术和多媒体系统h 1 引入课堂教学中，传统 的教学模式发生了质的变化，主要表现在以下几个方面： 一、练耳方面 j 传统的教学模式是以钢琴训练为主，包括音程和弦、节奏旋律，都是以钢琴 弹奏的形式对学生进行训练。面对这个困境，教师可以运用计算机多媒体系统， 特别是运用一些视唱练耳方面的软件如 e a rm a s t e rp r o f e s s i o n a l 进行练耳 的训练，可以达到比较好的教学效果。 二、视唱方面 传统教学中，教师是以范唱或钢琴伴奏来带动学生一起唱，整堂课下来，教 师非常辛苦，而且效果也不尽人意。如果运用计算机多媒体系统，就可以利用相 关的音乐制作软件为视唱曲目制作伴奏，而且制作合成的内容，音高节奏准确， 可以任意逐小节、逐句随教师意愿及学生的掌握熟练程度来播放，其速度、音调 和示范音色都可以随机变化。只要能合理运用音乐软件的相关编辑功能，教学就 b ， l 青海师范大学硕+ 学位论文 可以省时省力，同时教学效率和教学质量都能得到很大的提高。 三、节奏方面 节奏素有“音乐灵魂”之称，在视唱练耳教学的训练过程中也占有相当的比 重，也是训练难度最大的一项内容。因为节奏的训练要求对精确性有所掌握、对 不同风格的有所把握。计算机音乐系统内具备全人类发明的几乎所有代表性的打 击乐器效果，即“鼓机”的功能，它不仅音色逼真，而且表现力度颇具手感，无 论从全套爵士鼓到木鱼，还是从拉丁鼓到梆子等百余种打击乐器都能从合成器的 键盘上或音源中找到相应的位置。每种打击乐器即可以任意编成节奏型，即时播 放，又可以根据教学要求即时改变速度、力度，与传统的节奏训练教学相比效果 和效率有天壤之别。 所以，计算机音乐制作技术和多媒体系统引入视唱练耳课堂中，会给视唱 练耳的教学带来了深刻的变化，对传统教学模式的影响也是显而易见的。要合理 地吸收利用新的技术、新的设备、新的方法，同时又不能完全放弃传统模式的教 学，即视唱练耳课的教学必须要传统与现代相结合，合理利用这两者的优势，在 实际的教学中，摸索出一套既能适应现实需要，又能很好地提高学生音乐素质的 正确的教学方法。 1 2 系统功能介绍 本系统主要功能是以s t c 单片机作为核心控制部件，完成了从s d 卡中读取 视唱、练耳的m i d i 声音素材和视唱的图片素材，并通过显示器显示出的视唱曲 谱，通过音源解码发出相应的练耳曲谱。 基本素材库璐1 的建立是以视唱练耳课程的相关内容为基本原型，主要包含了 模唱，练耳，五线谱视唱，简谱视唱等内容，每一组素材包含了图片素材( 简谱 图片、五线谱图片) 和音乐素材( m i d i 音乐) 。素材库的内容主要存储在大容量 的s d 卡中，以f a t 3 2 文件系统来组织素材，读取过程中通过人机交互的按键的 来选择素材。同时考虑到单片机的内存的限制，还通过1 t m 6 2 2 5 6 等芯片完成了 6 4 k 空间的扩展，以便保证在调用时素材可以完整而快速的读取显示。 1 3 论文章节安排 本设计的基本内容包括视唱练耳素材库的建立、素材库的存储设计、素材信 息读取和显示的硬件电路设计和制作，基本实现了系统功能。论文章节安排如下： 第一章视唱练耳互动系统的构建，简述系统的开发背景及论文研究的主要 内容。 2 基于s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 第二章硬件系统的设计与实现，阐述系统功能的硬件实现，系统硬件的设 。计思路及整体结构，并着重介绍了所采用的元件。 第三章软件系统设计与实现，阐述系统功能的软件实现，包括总体软件设 计，s d 卡通信，文件系统移植，素材存储和输出等相关设计。 第四章视唱练耳素材库的建立，主要介绍了m i n i 音乐素材、图片素材的设 计方法和过程。 第五章总结和展望，首先把系统测试和集成的结果进行了简述，接着对系 统的整体功能进行了总结，指出了系统的不足之处，为今后的努力指明了方向。 3 青海师范大学硕十学位论文 第二章硬件系统的设计与实现 2 1 系统硬件设计思路 2 1 1 总体电路设计 系统硬件电路的搭建是以s t c 单片机为主控核心部件，外围电路主要包括单 片机最小系统、s d 卡连接电路、内存扩展电路、素材选择按键电路嫡1 、素材输出 显示等部分。系统实现的基本原理是首先通过按键选择相关的素材，由单片机对 此动作进行响应，从s d 卡中读取相关的素材文件，再选择显示器显示图片素材 或由扬声器输出m i d i 声音素材，系统整体框图如下2 一l 所示。 2 - 1 系统整体框图 系统硬件电路框图和电路总图如下2 - 2 、2 - 3 所示。 4 基ts t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 图2 - 2 系统硬件框图 l 缘j粪靠鑫 瓣 罾蓬冀蓁薰 | 。女帮 ； 毒 ：! * 曼- - r 耋薄嚣 ： 2 1 。j l 。 鹫裂譬 ：甄点 r 。kl r 一 俐i i 了 ，i矗 毒 b 一一：二7 懋 毋一1 | t lu l蕊l 黟掣磴 浮 l 。翌一。j 茳 | 圭 舭 圭 i 牛 f 磐 鬻坪籍志 ；q一 衰 ， = 霸 一 - 卜， ，-一 马0 ： m | 船器扩“一l mk 一一 叫 l ah ，一 -一_甓。 ，1 磁h 蒂盖；” 1 l 掣鸳 图2 3 系统硬件电路总图 2 1 2s d 卡接口电路设计 1 s d 卡硬件连接电路拍1 如下图2 - 4 所示，其中包括s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机的晶 振电路和复位电路口1 ，s d 卡连接电路和s d 卡套插座连接电路。其中除了电源和 接地端外，s d 卡共有4 个引脚与单片机相连接，其中片选端c s 连接单片机的 p 1 4 ( s s ) 端，d i 端连接单片机的p 1 5 ( n o s i ) 端，d o 端连接单片机的p 1 6 ( m i s o ) 端，c l k 端连接单片机的p 1 7 ( s c k ) 端，这是由s d 卡的工作模式决定的连接方式， 在后续的内容会详细介绍。 5 青海师范大学硕十学位论文 函 图2 4s d 卡硬 2 1 3 内存扩展电路设计 件连接原理图 内存扩展电路如下图2 - 5 所示，通过电路设计，扩展了6 4 kr a m 空间，以便 提高素材的读取速度。 ” c 哪 图2 - 5 内存扩展电路原理图 6 基t - s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 2 2s t c l2 c 5 a 6 0 s 2 芯片介绍 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 系列单片机砸3 是宏晶科技生产的单时钟机器周期( 1 t ) 的单片 机，是一种高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8 0 5 1 单片机，其指令代码完全 兼容传统8 0 5 1 ，速度比普通的8 0 5 1 快8 - 1 2 倍。工作电压为5 5 v - 3 3 v ，工作频 率范围为o - 3 5 m h z ，相当于普通8 0 5 1 的o 4 2 0 m h z ，片上集成1 2 8 0 字节r a m ， 通用i o 口，每个i o 口驱动能力均可达到2 0 m a ，但整个芯片最大不要超过5 5 m a 。 s t c t 2 c 5 a 6 0 s 2 系列单片机内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，2 路p w m ，8 路高 速1 0 位a d 转换( 2 5 0 k s ) ，i s p ( 在系统可编程) 无需专用编程器，无需专用仿 真器，可通过串口( p 3 o p 3 1 ) 直接下载用户程序，数秒即可完成一片。2 个 时钟输出口，可由t 0 的溢出在p 3 4 t o 输出时钟，可由t 1 的溢出在p 3 5 t 1 输 出时钟。 s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 系列有双串口，r x d 2 p 1 2 ( 可通过寄存器设置到p 4 2 ) ， t x d 2 p 1 3 ( 可通过寄存器设置到p 4 3 ) ，因此特别适合电机控制，强干扰场合。 封装形式：s t c 5 a 6 0 s 2 系列单片机常用的封装有p d ip - 4 0 ，l q f p - 4 4 ，l q f p - 4 8 三种形式，总电路中选择了4 0 引脚的p d i p - 4 0 这款单片机，引脚如下图2 - 6 所 示： c f k 二l 1 2 i 圪op 1 o 韬圪lp i l 乳i ) 2 比i 阮zi lz ：讨l z0 a 0t d ：jp 10 ：群0 a it n i 4 疆；lt n 0 再p i 占 雄s ；i 垃6p i n 墨：矗1 ：? i t i ，7k b l i & n o h bi ，3 、 np 3 z 1 、1 1 3 c h 饨! o ? p 3l 筑”：lr l7 p 35 孽k p ；5 日) r 砘 x r ：i e x ! a ：l 0 1 日 、0 酗oi i 0 t 0 1 、i l l i z i ，v ”3 1 1 3 i u 1 i 1 i q 5 d 5 6j n t 7 、”： i j l t dp l j 矸s 了2 二e i 占 jp 1 1 07 1 5 t 6t l 0 5t l j t i 一1 2 1 23j i l t t 2 ：1 0 0 i 9 2 0t 8 图2 - 6p d i p 一4 0 单片机引脚 2 3s d 卡简介及接口实现 2 3 1s d 卡简介 s d 卡嘲s e c r u ed i g i t a lm e m o r yc a r d 是一种微型、低功耗、可移动的f l a s h 多功能存储卡，向上兼容m m c 卡n 引，增加了智能保护机制( c o n t e n tp r o t e c t i o n f o rr e c o r d a b l em e d i a ，c p r m ) ，可以有效地防止盗版，有较快的传输速率及更高 的存储容量，被广泛用于便携式消费类电子产品1 中。 s d 卡的主要优点有易于购买、价格便宜、易于焊接、接口简单、符合s d 卡 7 青海师范大学硕十学位论文 协会舰格标准，储存容量大，重量轻，尺寸小，工作温度在0 。c - - - 6 0 。c 之间，储 存温度为一2 0 c - 8 5 c 之间，精致小巧卡片设计，便于携带，通用性强，配合转 接适配器，可以当作原型号s d 卡使用，即插即用，省电实惠，低耗电量。 如下图2 7 所示，是一张常见的容量为l g 的s d 卡。 图2 - 7 容量为l g 的s d # 如下图2 8 所示，是s d 卡内部结构图呻1 。 2 3 2s d 卡的存储结构 图2 - 8s d 夤内部结构图 下面介绍一下s d 卡的存储结构。实际上，s d 卡上的数据是以数据块的方式 进行存储的，这个数据块称为扇区。如图2 9 所示，s d 卡上的数据存储方式“ 图2 - 9s d 卡上的数据存储方式 从图2 9 中看到一个扇区中包含了若干个字节，通常是5 1 2 字节，扇区是 最基本的读写单位，不能单独操作扇区中的某个字节，若要修改扇区中的某个字 8 基丁s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 节，需要把整个扇区都读出来，修改完后再按扇区写回去。使用扇区来组织数据， 主要是为了适合硬件设计。在硬件的设计与加工工艺上，数据以扇区为单位束进 行寻址更容易实现，还可以减小寻址的歼销。采用扇区这种组织方式，每寻到一 个扇区，就可以读到5 1 2 个字节，大大提高了数据的读取速度，有利于对数据 的管理。总之，将数据组织为扇区的数据块n 铂存储的方式，文件数据的管理更 加方便。 用s d 卡来存储文件或进行其它文件操作之前，首先需要进行格式化。将 s d 卡格式化为f t 3 2 ，常用的方法步骤如下： 首先，使用菜单中的格式化功能，如图2 - 1 0 所示。 图2 一l o 使用菜单中的格式化功能 接下来，在右键菜单中选择“格式化 后，出现格式化对话框，选择文 件系统类型以及进行相关的设置，如图2 一1 1 所示。 。 。 图2 - 1 1 格式化s d 暑 格式化s d 卡时，计算机就已经将与s d 卡上的f a t 3 2 文件系统相关的参数 写到了专门的扇区中，包括扇区大小、簇扇区数、根目录首簇等等。这些全局性 9 青海师范大学硕+ 学位论文 参数是进行文件操作的根本依据，在各种文件操作中都要用到，而且通过这些参 数可以把f a t 3 2 文件系统整体的轮廓勾画出来，实现对文件系统的全局的认识。 如图2 - 1 2 所示，s d 卡扇区读写驱动是f a t 3 2 的底层接口。 ， 文件级应用 s d 卡弱区读写驱动 图2 一1 2s d 卡扇区读写驱动是f a t 3 2 的底层接口 2 3 3s d 卡的通信模式选择 通常，s d 卡有两种总线模式，即s d 总线模式n 钔和s p i 总线模式 1 6 o 其中 s d 总线模式采用四条数据线并行传输数据，数据传输速率高，但是传输协议复 杂，只有少数单片机才提供此接口，而且用软件方法模拟s d 总线又比较繁琐， 并且降低了s d 卡的数据传输速率；而s p i 总线模式只有一条数据传输线，不但 传输协议简单，而且易予实现，虽然数据传输速率较低，绝大多数中高档单片机 都提供s p i 总线，也易于用软件方法来模拟。为此，这里采用s p i 总线模式。 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外围设备接口总线) 总线技术是 m o t o r o l a 公司推出的一种同步串行总线接口n 7 1 ，是目前单片机应用系统中最常 用的几种串行扩展接口之一。s p i 总线模式主要通过三根线进行数据传输，即同 步时钟线s c k 、主机输入从机输出数据线m i s o 、主机输出从机输入数据线m o s i t 另外还有一条低电平有效的从机片选择线c s ，片选信号以及同步时钟脉冲由主 机提供。s p i 总线模式的数据是以字节为单位进行传输的，主机与s d 卡的各种通 信都由主机控制。 2 3 4s d 卡的电路连接 通过软件编程实现s p i 模式的数据传输( 包括串行时钟、数据的输入和输 出) 。在s p i 模式下，单片机与s d 卡的连接哪主要有四根线( 包括时钟线，两根数 据传输线和一根片选线) ，在s p i 模式下，引脚l ( d a t 3 ) 作为s p i 片选线c s 用， 引脚2 ( c m d ) 用作s p i 总线的数据输出线m o s i ，而引脚7 ( d a t o ) 为数据输入 线m t s o ，引脚5 用作时钟线( c l k ) 。除电源和地，保留引脚可悬空。 另外，控制芯片s t c 单片机的逻辑电平为5 vc m o s 电平标准，而s d 卡的逻 辑电平为3 3 vt t l 电平标准，它们之间不能直接相连，否则就会烧毁s d 卡。所 1 0 基丁s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 以为了安全和实现电平匹配_ 引，还设计了一个电平转换电路，主要选用了a s m l1 7 芯片柬实现，它可以将5 v 的输入电压转换为3 3 v 的输出电压，给s d 卡供电。 以下是s t c 单片机与s d 卡硬件连接框图和硬件连接原理图啪3 如下图2 一1 3 、2 一1 4 所示。 ： c - l 。2 j c - c h 3 ，蕊 l ：h ：v c v c o f ：l o 窖c k o - 7 0 ，o o o - t 1 1 ，“a 图2 1 3s t c 单片机与s d 蒂硬件连接框图 图2 1 4s t c 单片机与s d 卡硬件连接原理图 2 4 系统内存的扩展 2 4 1 内存扩展设计原理 由于s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 单片机只有1 2 8 0 字节的数据存储器，而素材( 图片、m i d i ) 信息量都较大，为了提高读取和显示的速度，需要在单片机最小系统上增加一片 r a m 。本系统中r a m 选用存储器芯片h m 6 2 2 5 6 ，容量为3 2 k 。对r a m ，进行读写时， 锁存器把低8 位地址锁存，与p 0 口的8 位地址数据构成1 6 位地址空间，从而可 使s d 卡一次读写5 1 2 字节的块操作。7 4 h c 3 7 3 锁存器和6 2 2 2 5 6 内存芯片复用了 青海师范大学硕+ 学位论文 单片机的p o 口，扩展了6 4 k 的空间， 扩展电路如图2 一1 5 所示。 为素材库的存取提供了足够的空间。内存 2 4 2 内存扩展芯片介绍 i t c 图2 - 1 5 内存扩展电路图 1 、h m 6 2 2 5 6 芯片简介： h m 6 2 2 5 6 是3 2 k 的低功耗静态r a m 存储器用p o 和p 2 来扩展外部r a m ，实 现时主要是用p o 和p 2 与h m 6 2 2 5 6 对应的管脚相连接，选通h m6 2 2 5 6 并且向h m 6 2 2 5 6 写入数据，让控制位如w r ，c s ，r d 符合选通读、写的规定。单片机系统 扩展时，用p o 口作为地址低8 位( 与数据口分时复用) ，而p 2 口作为地址高8 位，它共有1 6 根地址总线，寻址空间为6 4 k b 。 h m 6 2 2 5 6 引脚功能如下： 7 a 0 一a 1 4地址总线( a d d r e s s ) d o d 7输入输出口( n p u t o u t p u t ) c s端口选择( c h i ps e l e c t ) w e输入始能( w r i t ee n a b l e ) o e 输出始能( o u t p u te n a b l e ) v c c电源始能( p o w e rs u p p l y ) v s s接地( g r o u n d ) h m 6 2 2 5 6 管脚如图2 - 1 6 所示。 1 2 基丁s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 a o a 1 d 1 a _ 2d 2 a 3d 3 a 4d 4 a 5d 5 a 8 a 7d 7 a 8 a 9 a i o a 1 1 a 1 2 a a ，1 4 3 6 2 2 5 6 c e w e o e 图2 1 66 2 2 5 6 管脚图 2 、芯片7 4 h c 3 7 3 ( 八d 锁存器) 简介 7 4 h c 3 7 3 的输出端0 0 - - , 0 7 可直接与总线相连。当三态允许控制端o e 为低电 平时，0 0 - - 0 7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线；当o e 为高电平时，o o 0 7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不 受影响。当锁存允许端l e 为高电平时，o 随数据d 而变。当l e 为低电平时，0 被锁存在已建立的数据电平， 引脚功能： d 0 d 7 数据输入端 o e三态允许控制端( 低电平有效) l e锁存允许端 0 0 - - 0 7 输出端 外部管腿如图2 - 1 7 所示。 v ：c0 7 譬3 s 铝0 5 笼阮0 4 【e x 瓯毵d ，0 龟乏迦0 3e 酡 图2 1 77 4 h c 3 7 3 外部管腿图 2 5 视频通信显示的实现 2 5 1 视频解码芯片的选择 视频解码芯片选择了f x v x c 2 5 6 系列v g a 控制器，它是由方显科技公司 设计开发的，控制器与单片机有相应的接口连接，操作指令简单，可方便地 对显示存储器进行实时的读写，外形如图2 - 1 8 所示。 1 3 青海师范人学硕十学位论文 图2 - 1 8f x - v x c 2 5 6 外形尺寸图 f x v x c 2 5 6 系列v g a 控制器实物如图2 - 1 9 所示。 2 5 2 视频显示的实现n 图2 1 9f x - v x c 2 5 6 实物图 硬件连接时，j 2 口连接单片机，j 4 口连接显示器。视频解码芯片与单片机的 接口( j 2 ) 引脚定义如下： l 、g n do v ，接地。 、 2 、g n do v ，接地。 3 、v c c5 v ，接电源。 4 、r d 输入读，低电平有效，接单片机p 3 7 。 t 5 、w r 输入写，低电平有效，接单片机p 3 6 。 6 、c s 输入片选，低电平有效，接单片机p 2 8 。 7 、r s 输入端口选择卜数据，o 一指令，接单片机p 2 0 。 8 、d 0 三态数据总线( 底位) ，接单片机p o o 。 9 、d l 三态数据总线，接单片机p o 1 。 1 0 、d 2 三态数据总线，接单片机p 0 2 。 1 l 、d 3 三态数据总线，接单片机p 0 3 。 一卜l研l上一 基下s t c 单片机的视唱练耳互动系统的构建 1 2 、d 4 三态数据总线，接单片机p o 4 。 1 3 、d 5 三态数据总线，接单片