基于sd卡存储的鼾声记录仪学士学位论文.docx
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基于sd卡存储的鼾声记录仪学士学位论文
编号
本科生毕业设计
基于SD卡存储的鼾声记录仪
TheSnoreMeasurementRecordBasedOnTheSDCard
学生姓名
专业
电子信息工程
学号
指导教师
学院
电子信息工程
二〇一二年六月
毕业设计(论文)原创承诺书
1.本人承诺:
所呈交的毕业设计《基于SD卡存储的鼾声记录仪》,是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计工作条例》后,在教师的指导下,保质保量独立地完成了任务书中规定的内容,不弄虚作假,不抄袭别人的工作内容。
2.本人在毕业设计中引用他人的观点和研究成果,均在文中加以注释或以参考文献形式列出,对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
3.在毕业设计中对侵犯任何方面知识产权的行为,由本人承担相应的法律责任。
4.本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计的规定,即:
按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本;同意学校保留毕业设计的复印件和电子版本,允许被查阅和借阅;学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计,可以公布其中的全部或部分内容。
以上承诺的法律结果将完全由本人承担!
作者签名:
年月日
摘要
本设计研究SD卡与单片机的数字信号处理技术,通过对单片机的系统分析以及对传感器原理和检测原理的研究,结合SD卡存储的性能特点,并结合ATmega16单片机接收处理信号,设计出整体电路图和设计方案。
论文介绍了单片机对控制SD卡的编程设计,驻极体话筒传感器电路连接设计以及相关理论分析等等,详细说明了电路设计的方法及原理,电路实现的功能以及数据处理的方法。
在软件设计部分,介绍了软件设计总体流程。
在硬件部分,介绍了基于SD卡存储的鼾声记录仪所需要用到的硬件器材。
实验表明,采用驻极体传声器收集声音信号,经由ATmega16处理后转换为数字信号传送进入SD卡存储,而后将其传至TFT彩屏显示器上并显示出来,其整个实验流程是可以实现的。
关键词:
ATmega16SD卡驻极体话筒传感器TFT彩屏
Abstract
ThisdesignstudyisbasedontheSDcardwithamicrocontroller,digitalsignalprocessingtechnology,bysystematicanalysisofthemicrocontrollerandthesensorprincipleandthedetectionprinciple,combinedwiththeperformancecharacteristicsoftheSDcardstorage,combinedwiththeATmega16phonesignalsareprocessed,todesigntheoverallschematic.
ThispaperintroducesthemicrocontrollertocontroltheprogrammingoftheSDcarddesign,electretmicrophonesensorcircuitconnectiondesignandrelatedtheoreticalanalysis,detailingthemethodandprincipleofthecircuitdesign,circuitfunctionalityanddataprocessingmethods.Inthesoftwaredesignsectiondescribestheoverallsoftwaredesignprocess.Inthehardwaresection,snoringmeasuredloggerbasedontheSDcardstorageusedbyhardwareequipment.TheexperimentsshowthattheelectretmicrophonetocollectsoundsignalsthroughaATmega16afterconvertedintoadigitalsignaltransmittedintotheSDcardstorage,andafteritsspreadanddisplayontheTFTcolordisplay.
Keyword:
ATmega16;SDcard;ElectretMicrophoneSenser;TFT
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1选题背景1
1.2研究目标和意义1
1.3SD卡现阶段状况及未来展望1
1.4本文要完成的工作2
第2章系统硬件简介3
2.1电源模块3
2.2Atmega16单片机简介3
2.2.1微控制器的选型3
2.3驻极体话筒传感器5
2.3.1驻极体声音传感器的工作原理6
2.4SD卡6
2.4.1SD卡的简介6
2.5TFT真彩屏显示器10
2.5.1RGB565-RGB888的转换10
第3章基于SD卡的鼾声测录仪的电路接口设计12
3.1ATmega16与驻极体话筒传感器接口电路12
3.1.1ATmega16与驻极体话筒传感器接口电路的功能12
3.1.2ATmega16与驻极体话筒传感器接口电路设计12
3.2Atmega16与SD卡接口电路设计13
3.2.1ATmega16与SD卡接口功能13
3.2.2ATmega16与SD卡接口电路设计13
3.3ATmega16与TFT彩屏的接口电路设计14
3.3.1ATmega16与TFT彩屏的接口电路的功能14
3.3.2ATmega16与TFT彩屏的接口电路设计14
第4章系统软件设计16
4.1ATmega16与驻极体采集音频数据16
4.2ATmega16单片机读写SD卡的软件设计17
4.2.1SD卡的扇区读写17
4.2.2模拟SPI协议17
4.2.3SD卡命令18
4.2.4SD卡的初始化19
4.2.5数据块的读写20
4.2.6TFT程序调试22
第5章系统调试及结果23
5.1软硬件的联合调试23
结论24
参考文献25
致谢26
第1章绪论
1.1选题背景
打鼾是生活中常见的一种睡眠现象,由于鼻腔呼吸道不通畅导致与气体摩擦发出的不同程度的呼声,但是大家并没有对其引起足够的重视。
根据不完全调查,百分之五睡觉时有打鼾现象的人,会发生不同程度的呼吸骤停,对人们产生很大危害,本次设计便是根据单片机与SD卡对这种情况进行记录并采样调查。
SD卡(SecureDigitalMemoryCard)中文翻译为安全数码卡,是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,它被广泛地于便携式装置上使用,例如个人数码助理(PDA)、数码相机和多媒体播放器等。
SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。
大小犹如一张邮票的SD记忆卡,重量只有2克左右,但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛,时下已经成为最为通用的数据存储卡。
在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。
SD卡之所以得到如此广泛的使用,是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。
既然它有着这么多优点,那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来,将使系统变得更加出色,特别是一些单片机系统需要长时间地采集、记录海量数据时,选择SD卡作为存储媒质是开发者们一个很好的选择。
这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。
1.2研究目标和意义
研究Atmega16单片机对SD卡的读写,解决Atmega16单片机应用系统存取大容量数据。
1.3SD卡现阶段状况及未来展望
SD卡由日本松下、东芝以及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制,当时远远没有市场,三大主要厂商仍然坚持使用自己的专利格式:
奥林帕斯和富士使用的是XD卡,索尼使用的是MemoryStick。
另外,SD卡还没有攻入CF卡占绝对优势地位的数码单镜反光相机市场。
但随着近年来便携式随身设备功能越来越多,个人数字生活也越来越丰富,拍照、听音乐、看视频、通信、上网等等已经成为大众娱乐的普遍现象。
此外,数码相机、MP3/MP4、智能手机、GPS导航仪的大量普及,是的周边产品的附加价值也跟着水涨船高。
其中,基于NANDFlash芯片技术衍生出来的多媒体数字存储卡应用范围答复扩大,价格也成急速下降势头。
2009年国际CES(CircuitEmulationService电路仿真业务)消费性电子展正式宣布新一代SDXC(extendedCapacity)闪存卡规格,具备便携式大存储空间且速度快,而数周的高清晰度视频、数年的相片收藏、数月的音乐、颗粒剂存储于移动电话、相机、摄像机、及其它消费型电子设备里,消费者的数码生活风格因而获得大幅改善。
未来的SDXC存储卡在新的标准助力下,SD存储卡的最大容量一举达到了2TB,采用微软EXFAT文件系统,还能实现最高300MB/S的传输速率。
未来便携式存储器将会是SD卡占据主流地位的时代。
1.4本文要完成的工作
本文通过以单片机Atmega16为核心部分设计的一个记录系统。
通过对一段时间内驻极体话筒传感器对声音信号的采集,然后通过Atmega16处理后转化为数字信号存储至SD卡,同时传送至TFT彩屏上,来记录实验对象的睡眠情况。
第一章介绍了本文的选题背景,并阐述了研究的目标和意义,以及现在的状况和未来的发展方向。
第二章介绍了鼾声记录仪的硬件部分,通过对各个元器件的介绍与选择,完成硬件部分的认识。
第三章介绍基于SD卡存储的鼾声记录仪各器件与单片机Atmega16的电路接口设计,说明各模块间的相互联系。
第四章介绍系统的总体软件设计。
第五章最后对系统的调试进行说明。
第六章结束语
第2章系统硬件简介
2.1电源模块
图2-1电路总流程原理图
电源是系统中最关键的部分,它决定着整个系统的成败。
本系统单片机供电范围为3.6-5V电源,而SD卡的供电范围是2.7-3.6V,所以系统需要两种电源。
本系统采用9V电源供电,通过抵押差三段线性稳压器ASM1117芯片得到5V和3.3V电源[1]。
电路如图2-1所示。
系统输入的9V电源首先通过ASM1117-5.0电源转换芯片把输入的9V电压转换为5V,然后5V电压再通过ASM1117-3.3把5V电压转换为3.3V。
ASM1117前后并行接了多个滤波、退耦电容,以进一步稳定现行电源的平滑度,减小电源的纹波,提高电源的带负载能力和瞬态响应。
2.2Atmega16单片机简介
2.2.1微控制器的选型
51单片机,ARM,DSP都是嵌入式系统的核心芯片的类型,现在的嵌入式系统都是高度面向对象的。
项目规模、对效率的要求以及成本问题很大程度上决定了对单片机类型的选用。
基于对系统的整体设计和硬件资源的要求,电路设计中采用的微处理器电路相对模拟系统更为简单,可实现较为复杂的控制算法,有一定的数据存储空间,灵活适应性强,控制精度高,无零点飘移。
可见普通的51系列单片机因为资源缺乏而无法满足设计要求。
ARM系列处理器价格昂贵且在本系统设计中使用,会浪费资源。
DSP系列往往注重数字信号的处理也不合适。
根据单片机的对比,系统设计应该选用8位机中新能优越的单片机。
所以选择ATMEL公司制作的AVR系列芯片中的ATmega16作为本次设计的处理单元。
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MOPS/MHz,从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾[2]。
ATmega16有如下特点:
16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于辨解扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程穿行USART,有起始条件检测器的通用串行接口8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内正当器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
ATmega16单片机为40引脚芯片,如图2-2所示,
图2-2ATmega1640引脚图
工作于空闲模式是CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及终端系统继续工作;掉电模式晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作,在省电模式下,一部定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;ADC噪声抑制模式是终止CPU和除了异步定时器与ADC意外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;Standby模式下只有警惕谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
端口A(PA7..PA0):
端口A作为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,计时系统时钟还未起振,端口A处于高阻状态。
端口B(PB7..PB0):
端口B为8为双向I/O口模具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能端口被外部电路拉低时将输出电流。
自复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口B处于高阻状态。
端口B也可以用作其他不同的特殊功能。
端口C(PC7..PC0):
端口C为8为双向I/O口模具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能,即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻呗激活,端口C也可以用作其他不同的特殊功能。
端口D(PD7..PD0):
端口D为8为双向I/O口模具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D处于高阻状态。
端口D也可以用作其他不同的特殊功能。
RESET:
复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
XTAL1:
反响振荡放大器与片内始终操作电路的输入端。
XTAL2:
反向振荡放大器的输出端。
AVCC:
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不适用ADC是,该引脚应该直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREF:
A/D的模拟基准输入引脚。
2.3驻极体话筒传感器
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无限话筒及声控灯电路中。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高,所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器,为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
本次介绍的这款话筒电路,外围元件少,制作简单,音质却出乎意料的好。
采用一块双路音频放大继承电路。
其主要特点是效率高、耗电小,静态工作电流型值只有6MA左右,该集成电路的电压适应能力强(1.8V-15VDC),即使在1.8V低电压下使用,也会有约100mW的功率输出。
2.3.1驻极体声音传感器的工作原理
该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒,声波使话筒内的驻极体薄膜振动,导致电容的变化,而产生预知对应变化的微小电压。
电容传声器在工作时,必须在两极之间施加一个稳定的直流电压,而且这种电压通常是由于外部提供的。
在直流电压作用下,给电容传声器充以电荷,使之保持恒定的充电状态。
若充电回路的电阻选择保持足够的大,使时间尝试远大于声压变化的最大周期,则可认为在两极上维持了恒定的电荷。
当声压作用于膜片时,膜片将随着声压的变化而振动,只是膜片与背极板间的距离也发生变化,其电容量也发生变化,于是便在电容器的两极输入端产生一个相应的交变的电压。
但由于其电容量变化甚微,使低频将有很高的内阻抗,因此,不能直接与衰减器或一般的放大器相连接,中间必须经过阻抗变换器,通常是使用阴极跟随器或由场效应管与晶体管组成的元射极跟随器。
同时要特别指出的是,电容传声器的输出电压是与由外部提供的极化电压密切相关的。
此时,由声压而引起的交变电压,其数学关系式是极化电压是决定电容传声器灵敏程度的一个重要因素,并要求它稳定和纹波系数小。
因此,如要求电容传声器具有较高的灵敏度,则要有稳定的和较高的极化在实际应用中通常是采用纹波系数小的直流电压。
在声级测量仪器中,一般是采用多节干电池供电。
这时要提供这样高而稳定的纹波系数小的直流电压,不但需要增加直流变换器等器件,而且更为严重的是对采用电池供电的声级测量仪器来说无疑是一个沉重的负担。
由于电容传声器在工作时,需要由外部提供这样高而稳定的极化电压,使声级测量仪器的结构难于紧凑,曾一度使声级测量仪器处于停滞不前的状态,甚至可惜。
为此,引起声级测量仪器的科研者、生产制造者和使用者高度的重视和关注,想方设法对它加以改进克服在工作中需要外加极化电压这个难关更好地发挥其特性的作用,使电容传声器完美无缺[4]。
2.4SD卡
2.4.1SD卡的简介
特性:
◎容量:
32MB/64MB/128MB/256MB/512MB/1GByte
◎卡上错位矫正
◎支持CPRM
◎两个可选的通信协议:
SD模式和SPI模式
◎可变始终频率0-25MHz
◎通信电压范围:
2.0-3.6V工作电压范围:
2.0-3.6V
◎低电压消耗:
自动断电及自动睡醒,智能电源管理
◎无需额外编程电压
◎卡片带电插拔保护
◎正向兼容MMC卡
◎告诉串行接口带随即存取-----支持双通道闪存交叉存取--------快写技术:
一个低成本的方案,能够超高速闪存访问和可靠数据存储------最大读写速率:
10Mbyte/s
◎最大10个堆叠的卡(20MHz,Vcc2.7-3.6)
◎数据寿命:
10万次编程/擦除
◎CE和FCC认证
◎PIP封装技术
◎尺寸:
24mm宽x32mm长x1.44mm厚[5]
说明:
本SD卡高度集成闪存,具备串行和随机存取能力。
可以通过专用优化速度的串行接口访问,数据传输可靠。
接口允许几个卡垛叠,通过他们的外部链接,接口完全符合最新的消费者标准,叫做SD卡系统标准,有SD卡系统规范定义。
SD卡系统是一个新的大容量存储系统,基于半导体技术的变革,它的出现,提供了一个便宜的、结实的卡片式的存储媒介,为了消费多媒体应用。
SD卡可以设计出便宜的播放器和驱动器而没有可移动的部分。
一个低耗电和广供电电压可以满足移动电话、电池应用比如音乐播放器、个人管理器、掌上电脑、电子书、电子百科全书、电子词典等等。
使用非常有效的数据压缩比如MPEG,SD卡可以提供足够的容量来应付多媒体数据。
下图是SD卡的内部透视图,如图2-4。
图2-4SD卡内部透视结构图
框图:
SD卡上所有单元由内部时钟发生器提供时钟。
接口驱动单元同步外部时钟的DAT和CMD信号到内部所用时钟,本卡有6线SD卡接口控制,包括:
CMD,CLK,DAT0-DAT3。
在多SD卡垛叠中为了表示SD卡,一个卡标识寄存器(CID)和一个响应地地址寄存器(RCA)预先准备好、一个附加的寄存器包括不同类型操作参数。
这个寄存器叫做CSD。
使用SD卡线访问存储器还是存储器的通信由SD卡标准定义。
卡有自己的电源开通检测单元,无需附加的主复位信号来在电源开启后安装卡。
它防短路,在带电插入或移出卡时。
无需外部编程电压。
编程电压卡内生成。
SD卡支持第二接口工作模式SPI。
如果接到复位命令(CMD0)时,CS信号有效(低电平),SPI模式启用。
接口:
该SD卡的接口可以支持两种操作模式:
⑴SD卡模式
⑵SPI模式
主机系统可以选择以上其中任意一种模式,SD卡模式允许4线的高速数据传输。
SPI模式允许简单通用的SPI通道接口,这种模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度。
表2-1SD卡针脚定义
针脚
名称
类型
描述
1
CDDAT3
I/O/PP
卡监测数据位3
2
CDM
PP
命令/回复
3
Vss
S
地
4
Vcc
S
供电电压
5
CLK
I
时钟
6
Css2
S
地
7
DAT0
I/O/PP
数据位0
8
DAT1
I/O/PP
数据位1
9
DAT2
I/O/PP
数据位2
1:
S:
电源供电,I:
输入0:
输出I/O:
双向PP:
I/O使用推挽驱动
2.4.2SD卡的总线概念
SD总线允许强大的1线到4线数据信号设置。
当默认的上电后,SD将使用DAT0初始化之后,主机可以改变线宽(即改为2根线,三根线。
。
。
)、混合的SD卡连接方式也适合于主机。
在混合连接中Vcc,Vss和CLK的信号连接可以通用。
但是,命令,回复,和数据(DAT-3)这几根线,各个SD卡必须从主机分开。
这个特性使得硬件和系统上交替使用。
SD总线上通信的命令和数据比特流从一个起始位开始,以停止位终止。
CLK:
每个时钟周期传输一个命令或数据位。
频率可在0-25MHz之间变化。
SD卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生0-25MHz的频率。
CMD:
命令从该CMD线上串行传输,一个命令式一次主机到从卡操作的开始。
命令可以以单机寻址(寻址命令)或呼叫所有卡(广播命令)方式发送。
回复从该CMD线上串行传输。
一个命令是对之前命令的回答。
回复可以来自单机或所有卡。
DAT0-3:
数据可以从卡传向主机或副versa。
数据通过数据线传输[6]。
表2-2SPI模式针脚定义
针脚
名称
类型
描述
1
CS
I
片选(负有效)
2
DI
I
数据输入
3
Vss
S
地
4
Vcc
S
供电电压
5
CLK
I
时钟
6
Vss2
S
地
7
DO
O
数据输出
8
RSV
--
9
RSV
--
1:
S:
电源供电,I:
输入O:
输出I/O:
双向PP:
I/O使用推挽驱动
注意:
SPI模式时,这些信号需要在主机端用10-100K欧的电阻上拉。
SPI总线允许通过2通道(数据入和出)传输比特数据。
SPI兼容模式使得MMC主机系统通过很小的改动就可以使用SD卡。
SPI模式使用字节传输。
所
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