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宁静以致远 淡泊以明志（代前言） MP3 DIY学习平台介绍 1、MP3学习平台几大特点 2、MP3学习平台配套课件前言 3、MP3学习平台介绍 5、MP3学习平台使用方法 6、MP3学习平台配套课件目录初稿 7、《硬件电路设计与制作》部分课件 欢迎来电来信，了解有关UP-TECH MP3 DIY的更多详情： 致电010－62387873，010－62381842转15， 或致邮MP3DIY@up-tech.com 或访问主页www.up-tech.com 北京博创兴业科技有限公司 MP3 DIY单片机学习平台几大特点 博创科技自主研发的MP3 DIY学习平台，非常适合高校相关专业课程设计、毕业设计以及MP3爱好者的学习和开发。 学习者通过此平台的配套课件、配套电路板，以及详尽的开发过程介绍，可以学会单片机从设计到调试，再到程序开发的整个流程和方法。 MP3 DIY单片机学习平台是一个完整的教学解决，有丰富的资料和辅助手段供教师选用，以适应自己教学的需要。此平台主要具有以下特点： ​ 明确的定位 计算机初学者逐步完成MP3与u盘的设计与制作 整个学习过程涵盖单片机、数字电路、电路板设计制作、C程序设计等知识，综合性强 以MP3和U盘的学习制作为载体，激发学习兴趣。 ​ 详尽的课件 三个课件紧密结合具有很强的可操作性 教材可操作性强，深入浅出，注重概念，强调思路 对学习者基础要求低，有数字电路概念，有C语言基础即可 ​ 丰富的资料 电路板、配件一应俱全，立即上手 与学习制作过程同步的教材及相关资料光盘 学习过程录相资料，帮助学习掌握难点 互动网站，学习者可通过其寻求帮助。并营造学习氛围 ​ 效果的显著 经过学习，学习者通过学习，能够独立掌握单片机设计流程，独立进行开发 实实在在的技能掌握和能力的提高 ​ 低廉的投入 开发环境只需要一台计算机，不需要仿真器和编程器等昂贵投入 MP3及U盘套件价格低廉 宁静以致远 淡泊以明志（代前言） 当你翻开这本书时，你一定对于硬件电路制作产生了一点点兴趣。如果你是在校学生，正想着手学习硬件电路，那么，我为你有机会拿起这本书感到高兴和欣慰，因为，籍此，你可能就迈进了硬件电路设计与制作的殿堂。 当大学教育越来越普及的时候，人们却发现大学里学到的东西越来越无法完全适应当今社会一日千里的发展需要。学校教育的内容有其周期性和相对稳定性，因此，为了增加对社会需求的适应能力，需要其改变观念，提高自身学习的能力，才能跟得上时代飞速发展的需要。 如果你已经意识到这种变化，已经开始规划自己的学习生活，那我再次为你庆幸。社会发展如滚滚前进的车轮，永远也不会停息，只有那些及时调整自己的步伐，紧随时代脉搏的人，才能成为时代的宠儿。 但你可能仍在苦苦寻找，寻找机会，寻找条件，寻找方法，寻找途径……这种寻找过程可能是很让人沮丧的。这个寻找过程将许多希望学习硬件电路制作的人拒之门外，但坚持走下去的人，必然可以得到一片湛蓝的天空作他的回报和补偿。 古人云“非宁静无以致远，非淡泊无以明志”。当人们越来越心浮气躁的时候，古人的教导如一汪清泉，淙淙流入我们的心田，滋润着我们的灵魂。滴水可以穿石，并不是因为每一滴水有多么大的能量，而是凭其多年如一日的坚韧不拨。如果我们有滴水精神的十分之一，我想，我们心中的理想便可以一步一步地实现。 这本书绝不是你步入硬件电路设计殿堂的捷径，但它绝对是一个路标，是正在寻找之人在黑暗中看到的一抹亮光，希望它可以将你引进大门，剩下的路，需要你用滴水的精神，自己去走，相信，由此，你终将达到你的目标。 《MP3播放器暨单片机学习平台》套件 一、目标： 让具有计算机基础知识、C语言程序设计基础知识和单片机概念的读者，通过本平台的学习，掌握电路设计、C51程序设计和USB设计思路与方法，并在一定现在的工作基础上，成功完成MP3与U盘的设计与制作。 二、套件组成： 此套件由两大部分组成： （1）MP3播放器。此MP3播放器与市面上的MP3播放器相同，可以听音乐。并且，此MP3播放器还是一个U盘，与市面上的U盘也无异。可以往U盘中存储各种文件，可以播放其中的MP3文件。除了这两个实用功能，这个MP3播放器也是一个单片机学习平台，具有开放的接口和调试特性。 （2）与MP3播放器相配套的教材。由三大部分组成：《硬件电路设计与制作》、《C51程序设计》、《USB海量存储设备（U盘）设计》。这三个课件再现了MP3播放器的开发过程，结合MP3平台的开放特性和可调试性，可以引导读者经历此开发过程。而且这三个部分定位于单片机设计的初学者，深入浅出，将读者引入单片机控制的奇妙世界。 三、硬件平台，MP3播放器 MP3播放器平台具有在线编程能力，通过PC上的一个下载软件，读者可以使用USB接口对播放器中的程序进行更新。播放器还具有串行输出接口，读者可通过向串口输出信息，然后将其连接到PC机上显示出来，为程序调试提供反馈。 本播放器——MP3播放器U盘，既是一个完整的电子产品，可以听音乐、做U盘存储文件；但同时又是一个很好的单片机学习平台，可以在此平台上进行许多基于51的单片机实验。读者可以对MP3的功能进行自我定制，然后下载程序，真正做到了个性设计，参与性和开放性很强。 本MP3播放器暨51学习平台成本低廉，能够为大多数读者所承受，而且开发调试环境简单（只要有PC机即可），因此，几乎所有有兴趣的读者都可以选用，以此作为单片机的学习平台。 此平台的硬件环境要求如下： ​ 计算机一台， ​ MP3播放器平台一个（可以从设计到制作自己完成）， ​ 万用表， ​ 铬铁、焊锡、镊子、吸锡器、助焊剂，松香， ​ 电缆若干。 另外，可集体配置吹风机、示波器等设备。 四、配套课件 本套件的课件以具有U盘功能的MP3为背景和平台，以通俗实用、指导性强、可操作性强的基调来介绍硬件电路制作技术、C51编程方法及USB设备开发思路。 整个课件始终以两条交错的主线来对有关内容进行论述。 一条主线为普遍性、一般性的理论介绍，这条主线偏重的是思路、方法的介绍。内容深入浅出，把所涉及知识中最重要、最常见的提取出来，不讲求全面详细，但求读者头脑中形成一个完整的体系，让没有多少基础的初学者也可以迅速入门，切入实质与主，而不为一些暂无大用处的繁琐内容所阻碍。比如，硬件电路设计的流程与方法，电路调试的方法与思路等，都在介绍电路设计知识以前进行介绍，让读者可先对整个理论体系有个大概了解，免得产生“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的感觉。然后再结合实践部分仔细体会。 另一条主线注重实用性，结合具有U盘功能的MP3的设计制作过程，将理论主线中的理论方法思路与实际操作过程中的处理结合起来，使理论与实践联系起来，捅破读者心中的理论与实践之间的那层纸，消除在学习过程中的“是这样么？”、“这样就可以么？”等不确信感。 五、对读者的要求 本平台配备了由开发者结合亲身体验写就的三个课件，指导性强、可操作性强，目标在于使没有单片机和电路设计基础的人可以由此入手来学习单片机。但对读者仍有以下要求： 1、需具有C语言程序设计基础，学习过《C语言程序设计》课程； 2、数字电路基本概念，学习过《计算机文件基础》课程，具有单片机概念，能进行计算机中常用数制间的转换，知道与或非等基本逻辑操作。 如何使用 要想掌握某种技能，最好的方法就是实践，亲身体会一下调试与开发的过程，那么对许多环节将会有更加真实的体验，理论学习中的不确信感将彻底被打破，进而建立起一种普通性的技能。 本学习平台，就是一个让你亲自参与，亲自动手实践的平台。以大家经常接触，但又从来不太了解其内部“秘密”的MP3和U盘为对象，深入解析，让读者一览无遗，在兴趣的激发中促进学习的积极性，最后也能够体验充分的成就感与自豪感。 跟随着三个课件的内容，读者将逐步经历整个MP3开发过程，笔者以亲身开发经历，将此开发过程中的重点与难点提出来，加以介绍和分析。读者可以自己设计电路板，也可以使用随课件提供的电路板，并自购元器件（有条件的地方可以统一购买），在三个课件的引导下，自己焊接元件，自己进行调试，自己编写程序，一步步地完成MP3与U盘的制作。 以下是使用本课件的推荐步骤和方法： 1、学习用Protel进行电路设计。按照功能定义、方案选定、电路原理图设计、采购元件、硬件电路板设计的流程，自己动手，实践各个环节，掌握了这些环节以后，便在一定程度上具备了自己解决问题的能力。在原理图和印制电路板设计过程中，可以参考配套光盘中的相关内容，但电路印制电路板设计完成以后，暂不制版。课件内容见“硬件制作篇”中的第1章～第5章。 2、使用本书所配印制电路板，自己购买元件，按照“硬件制作篇”中的第7章的详细步骤进行电路板焊接和调试。调试过程中直接使用配套光盘中提供的各种调试时需要的固件程序，暂不关心这些固件的程序是如何写就的。 3、MP3＋U盘调试完成以后，对整个调试开发环境就应该已经很熟悉了。接下来，阅读课件“C51程序设计篇”的有关内容，并阅读附件中对Keil C编译器、Source Insight源码阅读软件的介绍，阅读配套光盘中调试过程所用固件对应的C源程序，并结合源码中的注释，理解MP3源程序设计的方法。 4、到此，相信，对于硬件制作过程中的软件硬件都有了相当的了解了。此时，可以将自己原先设计的印制电路图进行必要的个性化设计与调整，自己制作MP3播放器的印制电路板，根据所做调整，在原有调试所需固件的基础上，进行相应的修改，重复电路调试过程，以便提高和融会贯通。电路板加工可以参考“硬件制作篇”中的第6章内容。 5、进行USB通讯的学习，了解USB有关概念。先学习“USB海量存储设备设计篇”中第1章～第4章的内容，建立起USB通讯的概念。 6、了解设计一个USB海量存储设备所需的知识，进一步加深对USB通讯的理解。阅读“USB海量存储设备设计篇”中第5章～第7章的内容。 7、用C语言编程实现U盘的固件编写，掌握USB通讯的调试方法。阅读“USB海量存储设备设计篇”中第8章、第9章以及附录中BusHound软件介绍的有关内容。 经过上面的典型步骤，相信可以实现遁序渐进，当然，如果读者对这个步骤中前面的内容已经很熟悉，则可以直接进入到自己所希望的步骤中来。在使用过程中，遇到任何问题，都可以访问www.up-tech.com网站的与此书配套的论坛，与众多学习者一起讨论。 本平台可广泛为广大高校、大中专院校、职业技术学院、职业高中等采用，用作相关课程和环节的教学解决方案： ​ 电工电子实习的解决方案（替代传统的组装收音机方案） ​ 单片机与C语言课程的学习平台 ​ 学生课外科技活动的常规项目 ​ 实习实训解决方案 ​ 毕业设计、专业实习解决方案 ​ 学生自学 ​ …… 目录 序 1 宁静以致远 淡泊以铭志（代前言） 1 《MP3播放器暨单片机学习平台》套件 1 如何使用 3 致谢 4 目录 5 硬件制作篇导读 7 第1章 功能定义 9 第2章 方案选定 13 第3章 电路原理图设计 19 3.1 电路设计基本知识 19 3.1.1 Protel 基本操作 20 3.1.2 Protel DDB文件的组成 32 3.1.3 Protel中各种文件之间的关系 34 3.2 建立自己的库 36 3.2.1 原理图库定义 36 3.2.2 元件封装库定义 43 3.3 原理图层次设计 51 3.4 MP3原理图设计 57 3.4.1 如何进行原理图设计 57 3.4.2 AT89C51SND1最小系统设计 58 第4章 采购元件 72 4.1 生成元件清单 72 4.2 让我们到中关村去 73 第5章 印制电路板设计 77 5.1 PCB设计的基本流程 77 5.2 元件布置 82 5.2.1 元件分类 82 5.2.2 确定电路板外形 83 5.2.3 布置元件 86 5.3 手动布线 94 5.4 自动布线 98 5.5 设计结果检查及调整 102 第6章 电路板加工 109 第7章 电路焊接与硬件调试 110 7.1 电路焊接基本知识 110 7.1.1 焊接必备工具 110 7.1.2 元件焊接基本方法 113 7.2 电路板调试 116 7.2.1 焊接与调试方案的制定 116 7.2.2 电源系统调试 117 7.2.3 单片机最小系统调试 131 7.2.4 外围接口设备调试 139 7.2.5 U盘功能调试 142 7.2.5 D/A转换及音频放大电路调试 144 7.2.6 MP3功能与U盘功能的整合 145 第8章 后记 146 C51程序设计篇导读 1 第一章 C51程序设计基本概念 1 1.1 机器语言、汇编语言与高级语言 1 1.2 程序的编译与链接 2 1.3 单片机固件执行过程 3 1.4 单任务与多任务 3 1.5 单片机程序与PC软件 3 1.6 C51程序设计基本流程 4 第二章 C51程序设计初步 5 2.1 数据类型 5 2.1.1 数据的存储方式 5 2.1.2 特殊功能寄存器 5 2.1.3 位寻址 6 2.2 运算符 7 2.2.1 赋值运算符与关系运算符 7 2.2.2 增量与减量运算符：++ -- 7 2.2.3 逻辑运算符 8 2.2.4 位运算符 8 2.2.5 复合赋值运算符 10 2.2.6 条件运算符 10 2.2.7 指针与地址运算符 10 2.3 语句 11 2.3.1 C51语句的种类 11 2.3.2 程序结构语句 11 第三章 C精华：与指针 14 3.1 函数 14 3.1.1 声明与定义 14 3.1.2 函数的调用形式 15 3.1.3 函数的参数与函数的返回值 15 3.1.4 实际参数的传递方式 15 3.2 数组与指针 16 3.2.1 数组 16 3.2.2 指针 17 3.2.3 数组的指针 18 3.2.4 指针的地址计算 18 第四章 C51程序设计中的技巧 19 4.1 模块化思想 19 4.2 结构化程序设计 19 4.3 软硬件接口的技巧 19 4.4 程序结构与框架 21 4.5 及时备份 21 4.6 C51程序设计中常见陷阱 22 第五章 硬件接口程序设计与调试 23 5.1 程序调试方法 23 5.2 程序调试的步骤 23 5.3 键盘调试 24 5.4 Flash接口调试 25 第六章 MP3程序设计过程 28 6.1 MP3播放器部分的设计 28 6.2 MP3与U盘功能的整合。 30 USB海量存储设备设计篇导读 1 第1章 无处不在的USB 1 1.1 包罗万象的USB设备 2 1.2 USB何德何能？ 2 1.3 设备的连接方式 4 第2章 计算机通信基本概念 5 2.1 串行通信 6 2.2 并行通信 8 第3章 USB通信基本原理 8 3.1 通用串行总线 9 3.2 信号在USB总线上的传递 10 3.3 USB通信的完全实现 13 第4章 USB通信数据流模型 15 4.1 总线构成 15 4.2 USB通信流 18 4.3 传输类型 20 4.4 数据转换与封装 22 第5章 USB Mass Storage、Bulk-Only与SCSI 24 5.1 Mass Storage协议 24 5.1.1 设备描述符 25 5.1.2 配置描述符 25 5.1.3 接口描述符 26 5.1.4 端点描述符 26 5.1.5 传输协议和命令块 27 5.2 Bulk－Only传输协议 28 5.3 SCSI指令集 30 第6章 Flash存储与文件系统 33 6.1 Flash存储器 33 6.1.1 Flash盘的FAT结构 33 6.1.2 Flash的读写 34 6.2 FAT16文件系统 34 6.2.1 FAT文件系统结构 34 6.2.2 硬盘结构 38 第7章 海量存储设备设计流程 40 7.1 系统结构、功能定义 40 7.2 USB接口芯片的选择 41 7.3 与USB接和MCU的接口电路 41 7.4 固件编程 43 7.5 设备调试 44 7.6 PC端驱动程序开发 45 7.7 系统联合调试 45 第8章 USB设备的C语言程序设计 45 8.1 U盘固件程序结构框架 46 8.2 接口芯片初始化编程 48 8.2.1 时钟设置和控制器使能 48 8.2.2 端点设置 51 8.3 设备配置阶段程序设计 53 8.4 批量传输阶段（Bulk－Only）程序设计 59 8.4.1 Bulk-Out端点数据处理 59 8.4.2 Bulk-In端点状态处理 60 8.5 SCSI命令集处理 62 8.5.1 SCSI命令集处理 62 8.5.2 读U盘处理 64 8.5.3 写U盘处理 67 第9章 USB通信的调试方法 71 9.1 USB调试的特点 71 9.2 USB调试手段 72 9.2.1 串口 72 9.2.2 BusHound 72 9.3 U盘的调试步骤 73 步骤1 测试开发环境 74 步骤2 测试USB寄存器读写与USB通信中断产生 75 步骤3 建立USB标准请求处理框架 78 步骤4 处理各USB标准请求 79 步骤5 建立Bulk_Out端点数据处理框架 81 步骤6 处理各SCSI请求 83 附录I USB数据协议 89 I.1 同步域 89 I.2 分组域格式 90 I.2.1 分组标识域 90 I.2.2 地址域 91 I.2.3 端点域 91 I.2.4 帧标号域 91 I.2.5 数据域 91 I.2.6 循环冗余校验 92 I.3 分组格式 92 I.3.1 令牌分组 92 I.3.2 帧开始（SOF）分组 93 I.3.3 数据分组 93 I.3.4 握手分组 93 I.4 处理格式 94 I.4.1 批量处理事务 94 I.4.2 控制传送 96 I.5 I/0请求分组、帧、事务、分组与分组域 97 附录II USB设备架构 98 II.1 USB总线枚举过程 98 II.1.1 USB设备状态 98 II.1.2 总线枚举 100 II.2 通用USB设备操作 100 II.2.1 动态插接与拔开 101 II.2.2 地址分配 101 II.2.3 配置 101 II.2.4 数据传送 101 II.3 标准设备请求 102 II.3.1 设备请求格式 102 II.3.2 标准设备请求 103 II.3.3 常见USB设备请求 107 II.4 描述符 108 II.4.1 设备描述符 108 II.4.2 配置描述符 109 II.4.3 接口描述符 110 II.4.4 端点描述符 111 II.4.5 字串描述符 112 附录III 主要寄存器功能介绍 113 1、UEPINT 113 2、UEPNUM 114 3、CKCON 114 4、PLLCON 114 5、PLLNDIV 115 6、PLLRDIV 115 7、USBCON 115 8、UEPCONX 116 9、UEPREST 116 10、UEPIEN 117 11、USBADDR 117 12、UEPSTAX 117 附录I：AT89C51SND1开发环境介绍 1 I.1 FLIP软件安装 1 I.2 USB－DFU驱动安装 2 I.3 设备连接与固件下载 6 附录II Keil 51编译环境介绍 12 II.1 Keil  51的安装 12 II.2 工程创建与管理 12 II.3 编译与链接 16 附录III 串口调试助手 18 III.1 软件介绍 18 III.2 串口连接线的制作 20 附录IV Source Insight使用简介 22 IV.1 Source Insight的安装 22 IV.2 创建工程 22 IV.3 代码查看与编辑 24 IV.4 与Keil的配合 26 IV.5 工程管理 27 硬件制作篇导读 能够自己设计与制作硬件电路，并编写软件程序，实现自己所构思的功能，是许多工科大学生梦寐以求的。但是，大多数人没有机会接触到这种氛围与环境，对这个过程仍然有几分神秘感。 本课件的内容就是要“揭密”硬件电路设计与制作的全过程。即使你以前完全没有制作过硬件电路，你在阅读本书之后，也会对硬件电路的设计与制作过程有完全的了解和认识。如果下一次你决定将构思变成现实时，你便知道如何入手去做了。因为从一无所知，到深谙其中之道，实在只有一步之遥。 你应该已经具备了《微机组成原理》课程和《数字电路》课程的基本知识，注意，这里说具备了这两门课程的基本知识，而不需要你通晓这两门课的内容。换言之，即使你所在的年级尚未开设这两门课程，而你已经对其有一些了解，或设法对其有一些了解，本书也是适合你的。 本书以设计制作一个MP3播放器（具有U盘功能）的全过程为线索，向读者展示这其间的酸甜苦辣。在介绍开发流程的过程中，MP3的制作过程逐渐展开，至课件结束的时候，MP3硬件电路的制作过程也结束了。 但是，本课件不是一个大而全的设计参考手册，而是一个小而精的设计思路指引，在这其中所涉及到的知识，我们只介绍与设计这个MP3所必要的。比如硬件电路的制作中，所使用软件Protel 功能强大，但本书并不是主要介绍这个软件，有关这个软件的全面内容的学习，可阅读这方面的书籍。而对于设计制作出MP3所需要的知识，读者却也不必去参考别的书籍，因为书中在设计过程中会介绍用到的基本功能。 要进行以单片机为核心的数字电路设计与制作，一般按照下列流程进行： 图0-1 进行硬件电路设计与制作的流程图 （1）功能定义 功能定义过程中，要明白自己到底想做什么。一个结合自己知识积累情况和实力的切实可行的想法是项目得以实施的关键。一般容易目标过高，这时，由于条件受限将无法实现。 （2）方案选定 明白了功能以后，就要列出实现功能可能的几种方案。方案的内容一般是由什么芯片实现什么功能，以及这些芯片之间如何接口。对于主要芯片，还要致电厂商询问有无现货及价格。要对这些方案进行对比分析，综合考虑其价格、可参考设计等内容来取舍。最后要选定一种方案实施。 功能定义与方案选定过程是紧密联系的，因为芯片是特定的，某些芯片可能具有比原定义功能更多的功能，这时，可以考虑更改功能定义，充分利用芯片潜能增加功能。有些功能的存在芯片无法满足要求或成本成倍增加，则考虑暂时去掉某些功能。流程图中的虚线箭头反映了这种关系和影响。 （3）电路原理图设计 根据方案选定的结果，将所选择芯片的各信号引脚以一定的规律和自己的设计考虑连接起来。一般使用Protel电路图制作软件。电路原理图设计与软件设计之间有一个双向箭头，意指在进行电路原理图设计一定充分考虑到将来进行软件设计时的一些需要。比如，要给软件保留那些输出接口，软件体系结构对硬件电路的设计有无特殊要求。 （4）采购元件 电路原理图设计完成之后，便可通过各种途径购买元件了。对于常用元件，北京地区可到中关村中发（知春）电子市场购买。对于一些北京市场上没有的芯片，要通过互联网查询，并通过邮购、特快专递等方式购买。 （5）印制电路板设计 元件购买齐全之后，就要根据元件的封装情况来设计印制电路板。因为印制电路板不同于导线连接的电路，修改起来非常麻烦，并增加了电路工作的不可靠性，因此，要尽量确保印制电路板上的元件封装正确，最好将印制电路板以真实比例打印出来，然后将元件放置在图上进行核对。 （6）电路板加工 电路板加工一般请专门的厂商进行，当然需要向他们支付费用。设计者将印制电路板图通过电子邮件发送给某个线路板制作商，一般可根据需要决定制作周期，一般从1天到10天不等，当然，加工越快，价格越高，工艺质量相对越差。北京地区在中发（知春）电子市场，有许多电路板制作厂商，一般通过朋友或有经验人士介绍一家信誉好、质量稳定的即可。 （7）电路焊接与硬件调试 经过数天，电路板制作完成后，或者由制作厂商送到你手中，或者自己去取。当然只要有配置基本的焊接工具，就可以进行电路焊接了。因为还无法确保电路可以按设计正常工作，因此焊接过程其实也是硬件调试过程。按照一定的顺序，对各个功能模块的元件依次焊接，并依次进行测试，有必要时，可能还需要割线飞线，直至调通硬件。如果出现大的原则性错误，比如弄错封装型式，则有可能需要重新制版。 （8）软件设计 硬件调试通过以后，以后的工作便是调试软件了。在这个过程中，可以不再关心硬件的细节。参考设计过程中的电路原理图，以及所用芯片的相关资料，在编写硬件电路的软件程序。硬件电路设计与软件程序编写必须相辅相成、相得益彰，才能使所设计功能顺利实现。 本书分七章，设计流程的7个步骤，每个步骤用一章来进行介绍。软件设计的内容，分MP3和U盘两个部分。MP3功能部分的软件设计将在本课件的姊妹篇《C51程序设计》中进行介绍，U盘的软件设计在另一姊妹篇《USB海量存储设备设计》中介绍。 第1章 功能定义 一个构思或者灵感，往往是一闪即逝的。对于某种现象的观察可能会导致某种设计的诞生。但不管是构思也好，灵感也好，都最好将其写下来，对其进行详细的分析和考虑，这个构思才有可能真正变成现实。 有必要的话，还可以将你的构思在朋友之间进行讨论，三个臭皮匠，尚且顶个诸葛亮，何况如果是几个精明的家伙，给你提提意见，你的构思一定可以更加完善与贴合实际。没准儿，借这个机会，还可以找到志同道合的合伙人一起干，这一点是非常重要的，当你遇到困难准备放弃的时候，同伴往往可以给你鼓励坚持下去。 对于某个问题进行分析讨论、并具有付诸实施的勇气和决心，这一点对工科大学生是至关重要的。如果在工科大学生中间，有几个人有这样的劲头和兴趣，必将带动许多人。实践动手能力与解决实际问题的能力是工程性工科大学生的特点所在，需要提倡。我们需要更多可以脚踏实地，能够解决具体问题的人才。 在构思或讨论过程中，了解别人的工作也是非常重要的一环。有些工作别人已经在做，则可以借鉴；别人做的方式与自己的构思可能不同，则可以分析各有何优劣；如果还没有人做这方面工作，则会更有开创性和前瞻性。了解别人工作的途径有许多，这里介绍两种，都与互联网有关。 一是通过搜索引擎www.Google.com进行关键词搜索。如图1-1所示，当用Google搜索关键词“单片机 设计”搜索时，可以得到如下结果。Google会根据网页的访问量对所找到的结果进行排序，如果关键词得当，一般前几个链接中就可以找到你所感兴趣的内容。 图1-1 用Google查找资料 Google是非常优秀的搜索引擎，Google中没有广告。特别有趣的是，Google的图标会经常变化，图1-2是在爱因斯坦的诞生日的那天Google的图标。Google也经常在中国的传统节日里设置特别的图标，具有非常强有亲和力。 图1-2 Google的多彩Logo 有了Google这样强大的工具，世界便是你的了。Google上几乎可以找到所有你感兴趣的内容。以后遇到不会的问题时，先别认输，锻炼一下自己寻找问题答案的能力——上Google找找看。 除了互联网上的搜索引擎，另外一个很好的办法就是通过《中国期刊网》来检索相关主题的文章。许多大学的图书馆主页上都有《中国期刊网》的链接，以北航图书馆lib.buaa.edu.cn为例，进入主页后，单击如图1-3中的CNKI，即可查看有关《中国期刊网》网址http://www.edu.cnki.net/以及北航用户所使用的用户名和密码说明，如图1-4所示。 图1-3 北航图书馆主页上《中国期刊网》链接 在图1-4所示的页面上，除了用户名与密码外，还提供了期刊网文档所使用的专用浏览器的下载。单击“点击下载”即可下载程序包，并进行安装，以查看将来下载的期刊原文。 图1-4 有关《中国期刊网》网址及用户密码的说明 各高校使用《中国期刊网》里所使用的用户名与密码不同，一般在校外使用某校的账户无法成功登录《中国期刊网》。有关本校使用《中国期刊网》的具体事宜，可与各校图书馆联系。 如图1-5所示，根据图书馆网页中提供的用户名和密码，以“网上包库用户”登录《中国期刊网》。 图1-5 登录《中国期刊网》 如图1-6所示，登录后，在检索界面中，可按要求进行检索。在“字段”中选择检索途径，在“检索词”中键入相应的检索词，并在查询范围中选择特定的专栏，并选择检索日期范围及排序方式，最后单击“检索”开始检索。 图1-6 按关键词进行检索 检索得到的结果如图1-7所示。按“U盘”进行关键词检索2000年～2003年的选定期刊时，共得到4个结果。 图1-7 检索结果 在相应结果名称上单击，可以在下方看到摘要信息。如果单击相应的“原文下载”图标，则可以下载期刊中的原文，如图1-8所示。 图1-8 下载原文 将原文保存到本地磁盘后，即可使用先前安装的浏览器来查看原文，如图1-9所示。从原文中，或许得到一些自己感兴趣的内容，得到一些启发。 图1-9 查看原文 不管是使用Google查找信息，还是使用《中国期刊网》检索文献信息，都是为了在实施某个项目以前，进行充分的调查和研究，否则，就会陷入闭门造车的境地。 我们做的许多工作，也都是在前人的基础上进行的，充分地了解别人的工作，有助于提高我们的起点。也只有对某个方面的情况有了充分地认识和了解，才有可能进行一些创造性的突破。但突破又必须建立在自己现有的条件基础上来进行。将功能定义过程用八个字来总结——“充分调查，脚踏实地”。 Internet极大地改变了我们的生活。进行资料检索和查询的手段远不止这些，这里只起到抛砖引玉的作用。这方面的详细情况，根据各高校图书馆所提供的服务不同，可仔细阅读图书馆主页上的有关内容。 本课件的目标是要制作一个具有U盘功能的MP3。MP3具有最基本的播放、选曲、音量控制、音效控制功能，从这一点来讲，其与普通的MP3播放器无异。另外，当连接到计算机上的USB接口时，MP3将变成U盘，可以向U盘中复制文件。文件包括MP3歌曲文件或是普通文件。从这一点上来讲，其与普通的U盘无异。 第2章 方案选定 方案选择可能要经历以下几个阶段： （1）功能层次划分 根据所定义的功能目标，要开始分析功能如何组成，如果层次比较复杂，还需要进行必要的层次结构划分。然后根据这些功能的实现途径，列出典型的可能方案，再对这些方案进行分析。 由“具有U盘功能的MP3”这个功能定义来看，这个目标的实现依赖于两部分：U盘和MP3。 功能层次的划分或是复杂系统的细化，有助于更准确地分析问题。可以抓住问题的主要矛盾所在。然后对于每个独立的问题，要彻底弄清其工作原理和相关内容，不可有概念上的偏差，否则，如果实施到后期才发现，就会造成时间精力甚至是金钱上的浪费。 （2）了解各基本部分的技术细节 对基本概念和技术细节的了解途径，通过Google搜索是一个好方法，但这些技术细节问题有时连Google上也难已找到。这种情况下，通过一些专业的技术论坛或是高校BBS向人请教是一个不错的选择。 将目标分解成U盘和MP3以后，就要分别对U盘与MP3的原理与技术细节有个比较深入的了解。有关USB驱动开发的论坛有驱动开发网（www.driverdevelop.com），其中的USB驱动开发板块在圈内十分有名。在这里，可以找到许多参考设计资料，而且对于自己不太确定的问题，在论坛上发贴向别人请教的话，可以节省许多时间。 BBS上的话题更多一些，北航未来花园、清华水木、华中科大白云黄鹤等等，这些BBS端点的地址在一个工具软件Cterm中都有。 不管是在专业论坛上，还是在BBS上，提问之前，都要先看看精华区，弄清基本概念，然后比较准确地描述自己的情况，再阐述需要别人提供什么具体帮助。切不可泛泛而谈，提诸如“我想做个U盘，请大侠指点”、“大侠帮忙啊，MP3怎么做？”——真正的大侠，是不会理会这些问题的。但如果提下面这样的问题，或许有许多人会热心帮助，“我要做个U盘，请问接口芯片目前主流有哪些，各有什么特色？”，“MP3解码芯片如何选择，对CPU的要求高不高？”等等。而这些问题的提出，必然是在对基本情况有一定了解的情况下才可以做出的。因此，不要指望有人会实在没事干，愿意从头到尾教你（本课件是个例外），自己永远要主动。 经过对U盘和MP3技术细节的了解，得到了以下一些结论。 CPU、USB Device接口芯片和存储器三部分。市面上的商业产品，一般前两个部分是集成在一起，采用专用的带USB控制器的CPU；存储器一般为Flash，容量有8M、16M、32M、64M不等，而这又以三星的NAND（与非型）非线性Flash存储器为常用。 对于MP3，一般也分成几个部分：CPU、MP3硬件解码芯片、D/A转换与音频放大芯片、存储器。其中，有不同的集成解决方案，可以将第一、二部分集成在一起，即带MP3硬件解码器的CPU；或将第二、三部分集成在一起，即将硬件解码、D/A转换及音频输入集成在一起。存储器可以是Flash存储器，或者是硬盘。 （3）重新对功能整体进行整合 对功能定义中各个基本部分的具体内容的技术细节有一个大体的了解之后，需要重新对各个基本部分进行整合，再形成一个整体。然后再从使用芯片的角度将系统功能用几大模块来实现。 功能分解是为了便于分析，但是最后还得把各个部分整合在一起，因为那毕竟是一个整体。就MP3与U盘来讲，可以采用同一个CPU，采用同样的存储器来存储数据。即系统整体需要以下组成部分：CPU、USB Device接口芯片、MP3解码芯片、D/A转换与音频放大芯片、Flash存储器。当然，这其中，CPU与USB接口芯片、CPU与MP3解码器或者MP3解码器与D/A转换及音频放大芯片可以集成在一起。 （4）罗列可能方案 就以数字电路为主的硬件电路设计来讲，一般是用芯片为核心来实现系统功能。某一个主要的功能部分，可能就对应着某个芯片。而整个系统，就是这些芯片之间的有机协调与配合。除了系统中各个功能模块所对应的芯片间可能有不同的集成形式外，每种芯片也有多种可选方案，不同厂商生产的同类型芯片可能各有千秋，或者根据其他一些偶然因素，来确定到底如何确定芯片。 偶然因素包括，周围有人用过某个芯片，那么有很好的参考利用价值，可能导致选择此芯片而不是别的芯片。或者由于某个芯片当地市场上没货，这也可能导致放弃对此芯片的选择。 将可能的芯片选择组合都罗列出来，将非常有助于权衡各方面因素而做出较为正确的选择。这些因素将包括：开发难度、系统可靠性、芯片数量（将影响体积）、价格、等。 作为一个对某项技术初次接触的新手，如何才能列出一个像样的方案分析图表呢？这就要充分利用网络资源以及自己的主动性。 对于某类具体功能的芯片，可以通过以下几个途径在查找可能的选择有哪些？ （1）可以在Google上以关键字进行搜索。 比如USB接口芯片，可以在Google中键入“USB 控制器芯片”字样进行搜索。 （2）到芯片生产厂商的主页上查询 通过Google可以找到这些芯片生产厂商的主页，通过主页，可以浏览其产品内容，一般在主页上都列有此厂商的所有产品的分类列表，可以按类进行搜索查看。 （3）使用开发论坛和BBS 再就是到一些专业开发论坛或BBS上的精华区中浏览，一般会有人讨论过类似的问题，或做过一些总结，可以之为参考的。直接发贴询问也可以，但问题一定要描述清楚。 （4）向周围做过此类设计的人请教 看看他们用过哪些芯片，感觉如何？有没有可用的源码或硬件电路设计参考？ （5）向厂商或芯片经销商咨询 许多厂商在华设有服务部门，可以打电话咨询。比如，致电Maxim（美信）公司在华的办事处，提出自己的需求，Maxim的工程师会为你推荐可能的方案，并且还可以得到某些芯片的免费样片。一些大的经销商，也可以为你提供一些支持，以助于进行方案选择。 以下是在确定带有U盘功能的MP3的方案过程中所使用的一些查询方法： 如图2-1所示，可以在Google上查找MP3方案，但这些方案一般都是商业生产的方案。不会提供技术细节，顶多从这些方案或相关讨论中，得到别人使用什么样的芯片，作为参考。 图2-1 在Google查找方案 在一些BBS上，可以找到一些有关MP3方案的总线，如图2-2所示，为北航未来花园BBS站的“嵌入式系统”版面中的一篇相关内容。通常，通过这种途径，可以得到更多有关技术细节的内容，而且可以给发贴人写信，寻求帮助。 图2-2 在BBS上查找方案 除了以上两种途径，通过开发论坛，也可以得到一些信息。如图2-3所示，是在驱动开发网上使用“MP3方案”关键词进行文章搜索时得到的结果。 图2-3 在开发论坛上搜索 单击对自己可能有帮助的话题，可以查看其内容，并可以对这个问题回贴，参与讨论，或者向发贴人发信息交流。如图2-4所示。 图2-4 论坛上有关讨论 经过以上各种途径的多方查找，最后总结出三种有代表性的MP3（U盘）方案，列表如下： 带有U盘功能的MP3的可选方案如下： 方案内容 CPU USB Device接口芯片 MP3解码芯片 D/A转换与音频放大芯片 Flash存储器 方案一 AT89C51SND1 CS4330A＋双路功放 K9F2808 方案二 PIC16C64 PDIUSBD12 MAS3507D DAC3550 方案三 AVR8515 PDIUSBD12 STA013 CS4330A＋双路功放 （5）分析评定各个方案，并最终选定方案 芯片方案组合情况确定以后，要对这些芯片的可购情况及价格进行查询，如果某些芯片目前无现货，或者价格太昂贵而无法接受，则要进行修改与调整。 在罗列所选方案的过程中，其实也是收集芯片资料的过程，所有芯片都提供PDF格式（用Acrobat Reader查看），这些芯片资料（DATA SHEET）是成功使用芯片的保障。中国大陆查找芯片资料或供货情况的网站有www.21ic.com，www.ic.net.cn。前者适合查芯片资料，后者适合查货源。当然，芯片资料，也可以通过Google，以“芯片名称 PDF”关键词搜索。 如图2-5所示，在www.ic.net.cn上对上述方案中的AT89C51SND1芯片进行查找。在“型号查询”中，将芯片型号键入“输入型号”，然后单击“开始查询”进行查找。 图2-5 查找芯片货源情况 结果找到如图2-6所示的结果。单击某个公司名称，可以得到此公司的联系方式。立即致电该公司，或发送电子邮件，询问他们目前此芯片有无现货？告知对方自己将购买数量，价格是多少？以及其他一切与此芯片细节相关的问题，都要问清楚，比如芯片的封装形式等。这些信息，都要备案，以便自己进行分析和比较。 图2-6 与具体经销商联系 除了对芯片价格、可购性进行查询和了解外。方案最终确定下来之前，再了解一下此芯片可用的参考设计多不多，或是曾经用过的人对此的评价，可以为自己的最终选择提供一些参考。 影响方案综合评价的各主要因素如下表： 开发难度 可靠性 主要芯片数量 是否可购 价格 综合评价 方案一 集成度高,开发容易 集成芯片,可靠性高 3 可 适中 1 方案二 较难 一般 5 可 高 3 方案三 较难 一般 5 可 低 2 由上表分析结果，选定方案一，方案内容如下： CPU＋解码器＋USB控制器：AT89C51SND1 D/A转换：CS4330A 音频放大：任意双路运算放大芯片即可 存储器：K9F2808，16M(或32M,其硬件封装一致) 另外，使用串口调试，需要使用串口电平转换芯片，Max3232，如果量少，可以到Maxim公司去申请免费样片。对于MP3的液晶显示，没有规范性可言，一般根据当地电子市场上可购得的方案进行选择。MP3的电源方案，经咨询Maxim工程师，他们推荐使用Max1677将两节七号干电池的电压升至3.3V为系统供电。当连接USB接口（USB总线上电源为5V）时，使用AS1117转5V电压降至3.3V为系统供电。 方案选定以后，可能还要对功能定义进行一些局部调整。有时候，因为事前定义的某个次要功能所选芯片难已达到要求，这时需要暂时去掉原来定义的功能。有时又因为所选芯片可能很容易增加某个功能，这时就可以在原功能定义的基础上进行扩展。比如，AT89C51SND1芯片具有MMC和ATA接口，这很容易将其扩展成带有MMC接口和连接硬件，使其具有移动硬盘功能。则可以在功能定义里进行扩充，使系统的可扩展性增强。 从方案选定过程来看，这个部分的充分细致的工作，有事半功倍的效果，有助于确定出合理、可操作性强的方案。并且尽可能地减少做大的修改的可能（比如，等印制电路板都设计完了才发现某个芯片目前根本买不到）。将这部分成八个字——“多方打听，全盘考虑”。