1 引言
目前，單片機系統以價格低廉、開發環境完備、開發工具齊全、應用資料眾多、功能強大且程序易于移植等優點而得到廣泛應用。同時，隨著信息化進程、計算機科學與技術以及信號處理理論與方法的迅速發展，需要的數據量越來越大，對數據存儲也提出了更高要求。MMC/SD卡以其價格、體積、讀取速度等特點成為現今大多數便攜式嵌入式設備的首選。
2 系統結構及原理
基于8051F330的音頻信號發生器的系統結構如圖1所示，它主要由8051F330單片機、MMC/SD卡存儲器、RS232串行通信接口、上位機、液晶顯示、鍵盤以及信號調理電路等部分組成。將寫入MMC/SD卡中的音頻數據存儲在上位機，單片機通過RS232串行通信接口寫入MMC/SD卡，以中斷方式讀取鍵盤接口命令，并根據命令控制選擇相應的音頻信號數據，再由信號調理電路輸出不同頻率和強度的音頻信號，系統通過液晶顯示模塊顯示信號頻率、信號強度及信號類型。該系統突出的特點是上位機采用Lab Windows/CVI軟件，通過RS232串行通信接口與單片機通訊；以文本格式存儲在上位機的音頻信息則通過RS232串行通信接口下載到MMC/SD卡。
系統控制核心選用美國Cygnal公司的8051F330單片機，C8051F330微控制器采用獨特的CIP-8051架構，對指令運行實行流水作業，大大提高了指令的運行速度；采用多功能存儲卡-MMC/SD卡作為存儲介質。MMC/SD卡內置控制電路，可應用于手機、數碼相機、MP3等多種數字設備，反復記錄30萬次，具有較高的性價比；液晶顯示屏采用OCM12864點陣液晶顯示模塊，由單片機時序控制，具有8位數據線、6條控制線和電源線。
3 硬件設計
3.1 MMC/SD卡接口電路
MMC/SD卡在音頻信號發生器系統中是以數字量形式存儲音頻信息。MMC/SD卡有兩種工作模式，即MMC/SD模式和SPI模式。從實際應用角度出發，SPI模式設計簡單，操作方便，但數據傳輸速率不如MMC/SD模式，本系統采用SPI模式。MMC/SD卡工作在SPI模式下，其各個引腳功能的定義，如表1所示。CS是MMC/SD卡的片選線，在SPI模式下，CS必須保持低電平有效；DI不但傳輸數據，還發送命令，傳輸方向是由單片機到MMC/SD卡；同樣DO除了發送數據外還傳送應答信號，傳輸方向是由MMC/SD卡到單片機；SCLK是操作MMC/SD卡的時鐘線。將C8051F330的相應交叉開關配置為SPI模式，與MMC/SD卡對應的引腳連接。針對SPI總線線路上增加了上拉電阻。MMC/SD卡與單片機接口電路。如圖2所示。
3.2 上位機和單片機通信
上位機采用Lab Windows/CVI軟件通過串口向單片機發送音頻信息。單片機將接收到的信息數據寫入MMC/SD卡。Lab Windows/CVI軟件的音頻信息是由WinHex軟件將原始文件轉換成16進制的數字量，該軟件可對多種語音信號進行轉換。上位機與單片機的通信是通過RS232串口通訊器件完成的。當上位機與音頻信號發生器相距較遠．不能直接用RS232器件將其連接時，可將RS232轉換為CAN，通過CAN總線實現串口設備的網絡互聯。RS232標準電平采用負邏輯，規定+3 V～+15 V的任意電平為邏輯“0”電平，-3 V～-15 V的任意電平為邏輯“1”電平。而CAN信號則使用差分電壓傳輸，2條信號線稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態時均為2.5 V，此時狀態表示為邏輯“1”，也可稱為“隱性”；CAN_H比CAN_L高時表示邏輯“0”，稱為“顯性”。顯性時，通常為：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5 V。
關鍵字：8051F330 音頻信號發生器
RS232串口的幀格式：1位起始位，8位數據位，1位可編程的第9位(此位為發送和接收的地址/數據位)，1位停止位。而CAN的數據幀格式：幀信息+ID+數據(分為標準幀和擴展幀兩種格式)。
3.3 信號調理電路
存儲在MMC/SD卡中的數據是音頻信號發生器的源代碼。單片機將這些數據從MMC/SD卡中讀出，經過單片機內部數模轉換，以模擬量的形式從P01輸出。該模擬信號經信號調理電路可外接耳機或音響播放十幾種音律。信號調理電路如圖3所示。由P01輸出的信號經LM324放大后，由多個LM324并聯實現信號跟隨和功率驅動。圖中只畫出了2個跟隨器，實際應用中根據需要可以并聯10多個信號跟隨器。
4 軟件設計
4.1 系統初始化
系統初始化可完成C8051F330的I/O口、晶體振蕩器、SPI總線和C8051F330片上串口的初始化設置。用C語言編寫的程序代碼如下：
4.2 MMC/SD卡初始化
MMC/SD卡上電后默認為MMC/SD模式，要使MMC/SD卡工作在SPI模式下，在MMC/SD卡初始化時，當片選線(CS)被拉低時發送復位命令CMD0，如收到應答信號01H，表示已將卡置為閑置狀態；如收到應答信號不是01H，則表示出錯。然后向MMC/SD卡發送命令CMD1，收到正確的應答信號00H之后，才會使MMC/SD卡進入SPI模式。MMC/SD卡初始化流程如圖4所示。
關鍵字：8051F330 音頻信號發生器
MMC/SD卡協議是一種問答式協議。首先單片機發送CMD。接著由MMC/SD卡發送回應RES。MMC/SD卡的命令長度都是6字節，命令總是以左邊的起始位開始，右邊的結束位結束。其具體的命令格式如表2所示，MMC/SD卡的應答格式分為4種，分別是R1、R1b、R2和R3應答。
4.3 MMC/SD卡單塊寫數據
MMC/SD卡單塊寫數據主要實現C8051F330對MMC/SD卡的單塊寫操作。MMC/SD卡塊的默認大小為512字節。當MMC/SD卡接收到單塊寫命令CMD24后，MMC/SD卡向單片機發送應答命令，并且等著單片機發送數據塊。當應答命令R1為0時，說明可以發送512個字節數據。MMC/SD卡對接收到的數據塊都通過一個l字節長的命令確認，當其低5位二進制數據為00101時，數據塊才確認數據塊寫入MMC/SD卡。在數據塊發送中，共發送515個字節數據，其中，第一個字節為0xFE，隨后是512字節的用戶數據塊，最后是2個字節的CRC。單塊數據寫入MMC/SD卡的流程圖如圖5所示。
采用C語言編寫的程序代碼如下：
5 結束語
根據MMC/SD卡的SPI協議，采用單片機實現與MMC/SD卡的接口，解決了嵌入式系統大容量數據存儲問題，利用上位機可以方便的讀取寫入數據。本系統的存儲速度可達20 Mb/s，完全滿足信號發生器所需的下載速度和音頻播放速度。所編寫的MMC/SD卡驅動程序已經應用到嵌入式信號發生器系統中，實現了數據的安全、穩定的存儲。相對于MMC/SD卡無論是讀寫速度還是存儲容量都得到了極大提高。在SPI模式下，SD卡與MMC卡相兼容，即就是說SD卡程序也適用于MMC卡。