基于CPU的8LED显示录音回放机.doc

1、 通信与信息工程 学院 2014/2015 学年 第 二 学期 软件 设计 实验报告 模 块 名 称 Proteus 51 专 业 通信工程 学 生 班 级 学 生 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 设 计题目 基于 CPU 的 8LED 显示录音回放机设计 任务要求 基本要求 ： 1 把需要录取的信号用 AD转换器采样并存储在 SRAM 中。 2 在一组数码管或 LCD 上显示采样速率和录音时间（秒），以及信号相关参数。 3 用 D/A 转换器回放录音信号，通过喇叭过模拟示波器显示。 4 在一组数码管或 LCD 上显示回放的播放时间或信号强度。 发挥部分： 1 用功能键可分别设定录音和

2、放音的采样速率。 2 多段录音管理。 3 任意组合播放。 动态显示格式 ： 自定 实验设备及软件 计算机、 Protues 以及 Keil 软件 同组人员学号及姓名 无 参考文献 单片机实验与课程设计指导（ Protues 仿真版） 51 系列单片机 李静 第一部分 实验目的和要求 本课程设计是在理论课程的基础上，重点培养学生的动手能力，通过理论计算、实际编程、调试、测试、分析查找故障，解决在实际设计中的问题，使设计好的电路能正常工作，为下一部结合实际的硬件系统设计准备条件。 1、总体要求： 以下各类设计必须按照实验提供的单片机原理图（ dpj.pdf 文件），结合自己所选择的题目进行元器件的

3、连接。 每组学生只能选择一个与别组不同的设计 题目，按照先到先选择的规则进行选题。 在仿真设计完成的基础上，有能力的同学可以申请硬件实验板的下载并完成软、硬件结合的课程设计。 2、分类要求： 录音机类 实验中需要录取的信源，可以用单片机或者信号发生器产生。 基本要求 ： 1 把需要录取的信号用 AD 转换器采样并存储在 SRAM 中。 2 在一组数码管或 LCD 上显示采样速率和录音时间（秒），以及信号相关参数。 3 用 D/A 转换器回放录音信号，通过喇叭过模拟示波器显示。 4 在一组数码管或 LCD 上显示回放的播放时间或信号强度。 发挥部分： 1 用功能键可分别设定录音和放音的采样速率。

4、 2 多段录音管理。 3 任意组合播放。 动态显示格式 ： 自定 根据提供的参考工程，在 proteus 平台自己重新画出实验所需要的电气原理图，并在此基础上编写相对应的程序，实现其功能，学习 proteus 软件的使用，其中包括原理图器件的选取、原理图的电气连接、程序的编写编译以及运行，并能查出其错误等。 第二部分 实验工具及实验器件 1. Proteus7.4 以及 Keil 2 软件的使用 Proteus 软件 是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 （该软件 中国 总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，

5、还能仿真单片机及外围 器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具 (仿真软件 )，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合 一的设计平台，其处理器模型支持 8051、 HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、 AVR、 ARM、 8086 和 MSP430等， 201

6、0 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等多种 编译器 。 在 PROTEUS 绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件： *.HEX，可以在PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 而 *.HEX 文件则由 Keil 软件编译后生成。 Keil uVision2 是 美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容 单片机 C 语言软件开发系统，使用接近于传统 c 语言 的语法来开发，与 汇编 相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因

7、而易学易用 ,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期 ,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。 KEILC51 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语言环境 ,同时保留了汇编代码高效 ,快速的特点。 C51 编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近 CPU 本身，及其它的衍生产品。C51 已被完全集成到 uVision2 的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。 uVision2 IDE 可为它们提供单一而灵活的开发环境。 Keil C51 软件提供丰富的 库函数 和功能强大的集成开发调试

8、工具，全 Windows 界面，使您能在很短的时 间内就能学会使用 keil c51 来开发您的单片机应用程序。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 有了 proteus 和 keil 我们就需要在这两个软件中建立我们所需要的工程进行实验，具体步骤如下： 第一步：在 Keil2 中建立一个新的工程，并命名， 第二步：选择使用的单片机芯片，我们选择 80c31， 第三步：将新创建的 .c 文件添加到 Target 中。 这样我 们就可以在 kei

9、l2 的环境下对单片机的程序进行编译和运行了。 2. 51 单片机 AT89c51 51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是 Intel 的 8031 单片机，后来随着 Flash rom 技术的发展， 8031 单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的 8 位单片机之一，其代表型号是 ATMEL 公司 的 AT89 系列，它广泛应用于工业测控系统 之中。目前很多公司都有 51 系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。 51 单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是 52 系列的单片机

10、一般不具备自编程能力。 当前常用的 51 系列单片机主要产品有： *Intel 的： 80C31、 80C51、 87C51， 80C32、 80C52、 87C52 等； *ATMEL 的： 89C51、 89C52、 89C2051 等； *Philips、华邦、 Dallas、 Siemens(Infineon)等公司的许多产品 80C31 单片机， 它是 8位高性能单片机。属于标准的 MCS-51 的 HCMOS 产品。它结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征，标准 MCS-51 单片机的体系结构和指令系统。 80C31 内置中央处理单元、 128 字节内部数

11、据存储器 RAM、 32 个双向输入 /输出 (I/O)口、 2 个 16 位定时 /计数器和 5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。但 80C31 片内并无程序存储器，需外接 ROM。此外， 80C31 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器、串行口和中断系 统维持其功能。掉电模式下，保存 RAM 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。 80C31 有PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)两种封装形式。 管脚说明 ： 8031 芯片具有 40 根引脚，其引脚图如图所示： 80C31 管脚图 4

12、0 根引脚按其功能可分为四类： 1. 电源线 2 根 Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接 +5V。 Vss：地电平。 2. 晶振： 2 根 XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。 XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。 3. I/O 口共有 p0、 p1、 p2、 p3 四个 8 位口， 32 根 I/O 线，其功能如下： 1） P0.0 P0.7 （ AD0 AD7） 是 I/O 端口 O 的引脚，端口 O 是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低 8 位的地址线

13、和 8 位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效） 2） P1.0 P1.7 端口 1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 通道，专供用户使用。 3） P2.0 P2.7 （ A8 A15） 端口 2 的引脚。端口 2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，在访问外部存储器时，它输出高 8 位地址 A8 A15 4） P3.0 P3.7 端口 3 的引脚。端口 3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，该口的每一位均可独立地定义第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与 P1 口完全相同，第二功能如下示： 口引脚第二

14、功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 （外部中断） P3.3 （外部中断） P3.4 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 T1（定时器 1 外部输 入） P3.6 （外部数据存储器写选通） P3.7 （外部数据存储器读选通） 3. 模数转换芯片 ADC0804。 ADC0804 的管脚图如下所示 它的主要电气特性如下： 工作电压： 5V，即 VCC 5V。 模拟输入电压范围： 0 5V，即 0 Vin 5V。 分辨率： 8 位，即分辨率为 1/28=1/256，转换值介于 0 255 之间。 转换时间： 100us（ fCK 640KHz 时）。

15、转换误差： 1LSB。 参考电压： 2.5V，即 Vref 2.5V。 1.ADC0804 的转换原理 ADC0804 是属于连续渐进式（ Successive Approximation Method）的 A/D 转换 器，这类型的 A/D 转换器除了转换速度快（几十至几百 us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。 以输出 8 位的 ADC0804 动作来说明“连续渐进式 A/D 转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。 第一次寻找结果： 10000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位 1） 第二次寻找结果： 11000000

16、（若假设值输入值，则寻找位假设位 1） 第三次寻找结果： 11000000 （若假设值 输入值，则寻找位该假设位 0） 第四次寻找结果： 11010000 （若假设值输入值，则寻找位假设位 1） 第五次寻找结果： 11010000 （若假设值 输入值，则寻找位该假设位 0） 第六次寻找结果： 11010100 （若假设值输入值，则寻找位假设位 1） 第七次寻找结果： 11010110 （若假设值输入值，则寻找位假设位 1） 第八次寻找结果： 11010110 （若假设值 输入值，则寻找位该假设位 0） 这样使用二分法的寻找方式， 8 位的 A/D 转换器只要 8 次寻找， 12 位的 A/D

17、转换器只要 12 次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图 1 的模拟输入电 压 Vin 2.分辨率与内部转换频率的计算 对 8 位 ADC0804 而言，它的输出准位共有 28 256 种，即它的分辨率是 1/256，假设输入信号 Vin 为 0 5V 电压范围，则它最小输出电压是 5V/256 0.01953V，这代表 ADC0804所能转换的最小电压值。 表 1 列出的是 8 12 位 A/D 转换器的分辨率和最小电压转换值。 表 1 A/D 转换器的分辨率和最小电压值 位数目 分辨率 最小电压转换值 8 1/256 0.01953V 10 1/1024 0.00488V 12 1

18、/4096 0.00122V 至 于内部的转换频率 fCK，是由图 2 的 CLKR（ 19 脚）、 CLK IN（ 4 脚）所连接的 R（）、C(150PF)来决定。 图 2 ADC0804 与 CPLD&FPGA、 8051 单片机等典型连接图 频率计算方式是 ： fCK 1/(1.1 R C) 若以图 2 的 R 10K、 C 150PF 为例，则内部的转换频率是 fCK 1/（ 1.1 10 K 150PF） 606KHz 更换不同的 R、 C 值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。但是需要注意 R、 C 的组合，务必使频率范围是在 100KHz 1460KHz 之间。 3

19、.ADC0804 的控制方法 要求 ADC0804 进行模拟 /数字的转换，其实可以直接由下面的时序图及图 2 信号的流向来配合了解。 图 3 ADC0804 控制信号时序图 以图 2、图 3 信号流向而言，控制 ADC0804 动作的信号应该只有 CS、 WR、 RD。其中INTR 由高电位转为低电位后，代表 ADC0804 完成这次的模拟 /数字转换，而 DB0 DB7 代表是转换后的数字资料。 图 3 的动作大概可分成 4 个步骤区间 S0、 S1、 S2、 S3，每个步骤区间的动作方式如下： 步骤 S0： CS 0、 WR 0、 RD 1（由 CPLD 发出信号要求 ADC0804 开

20、始进行模拟 /数字信号的转换）。 步骤 S1： CS 1、 WR 1、 RD 1（ ADC0804 进行转换动作，转换完毕后 INTR 将高电位降至低电位，而转换时间 100us）。 步骤 S2： CS 0、 WR 1、 RD 0（由 CPLD 发出信号以读取 ADC0804 的转换资料）。 步骤 S3： CS 1、 WR 1、 RD 1（由 CPLD 读取 DB0 DB7 上的数字转换资料）。 由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的 CPLD 动作功能有： 负责在每个步骤送出所需的 CS、 WR、 RD 控制信号。 在步骤 S1 时，监控 INTR 信号是否由低电位变高电位，如此以便了解 AD

21、C0804 的转换动作结束与否。 在步骤 S3，读取转换的数字资料 DB0 DB7 4. 数模 转换芯片 DAC0832。 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。 D/A 转换器 由 8 位输入锁存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成。 DAC0832 的主要特性参数如下： * 分辨率为 8 位； * 电流稳定时间 1us； * 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； * 只需在满量程下调整其线性度； * 单一电源供电（ +5V +1

22、5V）； * 低功耗， 20mW。 DAC0832 结构 ： * D0 D7： 8 位数据输入线， TTL 电平，有效时间应大于 90ns(否则锁存器的数据会出错 )； * ILE：数据锁存允许控制信号 输入线，高电平有效； * CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； * WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 ILE、CS、 WR1 的逻辑组合产生 LE1，当 LE1 为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1 的负跳变时将输入数据锁存； * XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效； * WR

23、2： DAC 寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 WR2、XFER 的逻辑组合产生 LE2，当 LE2 为高电 平时， DAC 寄存器的输出随寄存器的输入而变化， LE2 的负跳变时将数据锁存器的内容打入 DAC 寄存器并开始 D/A 转换。 * IOUT1：电流输出端 1，其值随 DAC 寄存器的内容线性变化； * IOUT2：电流输出端 2，其值与 IOUT1 值之和为一常数； * Rfb：反馈信号输入线，改变 Rfb 端外接电阻值可调整转换满量程精度； * Vcc：电源输入端， Vcc 的范围为 +5V +15V； * VREF：基准电压输入线， VREF 的范围

24、为 -10V +10V； * AGND：模拟信号地 * DGND：数字信号地 DAC0832 芯片： DAC0832 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。 D/A 转换器 由 8 位输入锁存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成。 1.DAC0832 的结构 DAC0832 中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为 ILE；第二级锁存器称为 DAC 寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC0

25、832 可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个 D/A 转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。 LE 为高电平、和为低电平时，为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当由低变高时，为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说，和同时为低电平时，为高电平， DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当由低变高时，变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到 DAC 寄存器中。 2. DAC0832 的引脚特性 DAC0832 是

26、20 引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下： CS 片选信号，和允许锁存信号 ILE 组合来决定是否起作用，低有效。 ILE 允许锁存信号，高有效。 WR1 写信号 1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时，必须和、 ILE 同时有效），低有效。 WR2 写信号 2，将锁存在输入寄存器中的资料送到 DAC 寄存器中进行锁存（此时， 传输控制信号必须有效）低有效。 XFER 传输控制信号，低有效。 DI7DI0 8 位数据输入端。 IOUT1 模拟电流输出端 1。当 DAC 寄存器中全为 1 时，输出电流最大，当 DAC寄存器中全为 0 时，输出电流为 0。 IOUT2 模拟电

27、流输出端 2。 IOUT1+IOUT2=常数。 Rfb 反馈电阻引出端。 DAC0832 内部已经有反馈电阻，所以， RFB 端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。 VREF 参考电压输入端。可接电压范围为 10V。外部标准电压通过 VREF 与 T型电阻网络相连。 VCC 芯片供电电压端。范围为 +5V+15V，最佳工作状态是 +15V。 AGND 模拟地，即模拟电路接地端。 DGND 数字地，即数字电路接地端。 3.DAC0832 的工作方式 DAC0832 进行 D/A 转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。 第一种方法是使输入寄存器工

28、作在锁存状态，而 DAC 寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使和都为低电平， DAC 寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号 ILE 处于 高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成 1 次转换。 第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而 DAC 寄存器工作在锁存状态。就是使和为低电平， ILE 为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入 1 个负脉冲时，使得 DAC 寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。 根据上述对 DAC0832 的输入寄存器和 DAC 寄存器不同的控制方法， DAC0832 有如下 3 种工作方式： 单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和 DAC 寄存器同时接收资料，或者