Комбинированное звуковое USB-устройство с функциями автономного MP3-плеера и поддержкой Bluetooth

Содержание
Аннотация
Annotation
Введение
1. Анализ области применения устройства
1.1. Обзор мультимедиа-устройств с поддержкой USB и/или Bluetooth
1.2. Выбор процессора устройства.
1.3. Выбор базовых компонентов устройства
2. Разработка структурной схемы устройства
3. Разработка функциональной схемы устройства
3.1. Обзор функциональных возможностей процессора устройства
3.2. Обзор функциональных возможностей модуля F2M03MLA
3.3. Функциональная схема устройства
4. Разработка принципиальной электрической схемы устройства
4.1. Расчет схемы подключения резонатора к AT91SAM7SE
4.2. Расчет схемы подключения питания и USB входа к AT91SAM7SE
4.3. Расчет схемы подключения питания к F2M03MLA
4.4. Подключение микрофона к F2M03MLA
4.5. Расчет схем соединения AT91SAM7SE с базовыми компонентами
4.6. Возможности аппаратной модернизации устройства
5. Программная часть
5.1. Обзор средств разработки
5.2. Разработка блок-схемы алгоритма управляющей программы
5.3. Разработка шаблона драйвера устройства
5.4. Возможности расширения функциональности устройства
6. Конструкторская часть
6.1. Обзор средств разработки печатных плат
6.2. Разработка печатной платы устройства
7. Экономическая часть
7.1. Расчёт себестоимости устройства
7.1.1. Определение единовременных затрат
7.2. Расчёт заработной платы
7.2.1. Расчёт основной заработной платы
7.2.2. Расчет дополнительной заработной платы
7.3. Расчет материальных затрат
7.3.1. Расчет стоимости комплектующих изделий
7.3.2. Расчет стоимости вспомогательных материалов
7.3.3. Расчет отчислений на социальные нужды
7.3.4. Расчет цеховых, общезаводских расходов. Расход заводской себестоимости
7.4. Расчет полной себестоимости
8. Экологическая часть
8.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов и их влияние на оператора
8.1.1. Повышенный уровень шума на рабочем месте
8.1.2. Неблагоприятный микроклимат
8.1.3. Повышенный уровень излучений
8.1.4. Недостаточность освещения
8.1.5. Перегрузки эмоциональные и умственные
8.1.5.1. Утомление
8.1.5.2. Монотонность
8.1.5.3. Стресс
8.1.6. Возникновение пожара
8.1.7. Нарушение изоляции токоведущих частей
8.2. Мероприятия по устранению опасных и вредных производственных факторов
8.2.1. Организационные мероприятия
8.2.2. Технические мероприятия
8.2.2.1. Мероприятия по снижению уровня шума на рабочих местах
8.2.2.2. Мероприятия по приведения температуры воздуха рабочей зоны, влажности, подвижности воздуха к оптимальным значениям
8.2.2.3. Мероприятия по снижению повышенного уровня излучений
8.2.2.4. Мероприятия по устранению или снижению недостаточной освещенности рабочей зоны
8.2.2.5. Мероприятия по снижению пожароопасности в рабочей зоне
8.3. Расчет общеобменной вентиляции
8.4. Экологичность проекта. Утилизация отходов, возникающих при изготовлении печатных плат
8.5. Выводы
Заключение
Литература
Приложение
Аннотация
Дипломный проект посвящён разработке портативной звуковой USB-карты. В автономном режиме устройство способно выполнять функции MP3-плеера с поддержкой Bluetooth.
В теоретической части рассмотрены современные мультимедиа-устройства, поддерживающие USB и Bluetooth, и обоснован выбор процессора устройства и его базовых компонентов.
Вторая, третья и четвертая главы посвящены разработке аппаратной части устройства, а пятая глава – разработке шаблона драйвера устройства.
Конструкторская часть описывает процесс разработки печатной платы устройства.
В экономической части приведён расчёт себестоимости устройства, а экологическая часть посвящена безопасности и экологичности проекта.

Annotation
The purpose of the degree work is development of a portable sound USB-cards. In free running mode this device executes MP3-player’s functions and supports Bluetooth.
In theoretical part are considered modern multimedia-device, supporting USB and Bluetooth, and is motivated choice of the processor device and its base component.
The Second, the third and the fourth chapters are dedicated to development of the hardware part device, and the fifth chapter is dedicated to development of the pattern of the driver device.
Design part describes the development of the device’s circuit board.
Economic part contains the calculation of the device’s cost and ecological part dedicates safety and ecological capacities of the project.

Введение
Сейчас многие портативные устройства поддерживают интерфейс USB, особенно те устройства, которые построены на микропроцессорах.
Интерфейс USB помимо всего прочего дал возможность питания устройства прямо от шины, чем не преминули воспользоваться разработчики. На данный момент рынок USB-устройств очень разнообразен и включает в себя такие экзотические устройства, как USB-тапочки с подогревом, подогреватель для чашки, вентилятор, фонарик, грелку и даже зубную щетку. Существует даже швейцарский армейский нож, снабженный запоминающим устройством с портом USB.
Одна из новинок, появившаяся в 2006 году и не обделенная вниманием, – это звуковые USB-колонки, представляющие собой звуковую карту, подключаемую к USB-порту, и несколько динамиков.
Другим более привычным USB-мультимедиа устройством является MP3-плеер. Современные MP3-плееры отличаются от своих предшественников поддержкой Bluetooth. Причем это выражается не только в передаче звука на беспроводные наушники, но и в возможности обмена файлами с другими Bluetooth-устройствами. С развитием портативных плееров увеличивается и объем встроенной памяти. На данный момент стандартом является 1 Гбайт.
Целью данного дипломного проекта является разработка устройства, которое будет совмещать в себе возможности современного MP3-плеера с поддержкой Bluetooth и звуковой USB-карты. Устройство должно иметь широкие аппаратные возможности, которые впоследствии при модификации программной части, должны дать потребителю новые возможности.
При подключении к компьютеру устройство в зависимости от установок, хранящихся в энергонезависимой памяти, должно определяться как звуковая карта или флеш-диск и выполнять соответствующие функции.
В автономном режиме устройство должно работать как MP3-плеер с поддержкой Bluetooth. Поддержка Bluetooth должна выражаться как минимум в передаче звука на беспроводные наушники, а также иметь возможность расширения Bluetooth-функций устройства.
Наличие дисплея, стерео аудио выхода и встроенной памяти объемом 1Гбайт вместе с поддержкой USB и Bluetooth и возможностью перепрограммирования обуславливают широкие возможности использования устройства и делают его привлекательным потребителю.

1. Анализ области применения устройства
Основная сфера применения устройства – это рынок потребительской мультимедиа электроники, в частности рынок портативных MP3-плееров и диктофонов.
Рынок потребительской электроники постоянно растет и развивается по мере появления и развития новых технологий, интерфейсов и стандартов. Сейчас практически все портативные устройства с возможностью сопряжения с персональным компьютером поддерживают интерфейс USB.
Выбор шины USB в качестве средства сопряжения с персональным компьютером неслучаен, так как эта шина изначально задумывалась как единый универсальный интерфейс со следующими свойствами:
легко реализуемое расширение периферии;
дешевое решение позволяющее передавать данные с приемлемой скоростью;
полная поддержка в реальном времени голосовых, аудио- и видеопотоков;
интеграция с выпускаемыми устройствами;
охват всевозможных конфигураций и конструкций персонального компьютера;
обеспечение стандартного интерфейса, способного быстро завоевать рынок;
создание новых классов устройств, расширяющих персональный компьютер.
Практически все требования были учтены и потребители получили действительно удобный и функциональный интерфейс.
На сегодняшний день основная тенденция развития рынка потребительской электроники – стремление сделать устройство мобильным. Примером этого служит появление мобильных телефонов, компьютеров и принтеров. Производители мобильной техники постоянно выпускают новые устройства, разрабатывают новые технологии или улучшают существующие. Мобильность подразумевает маленькие размеры и вес, и возможность работы в автономном режиме.
Беспроводной интерфейс Bluetooth позволяет различным устройства, которые поддерживают данный интерфейс, – ноутбукам, PDA, сотовым телефонам, принтерам и беспроводным гарнитурам – автоматически связываться с достаточно близко расположенными, себе подобными устройствами для обмена информацией. Одно Bluetooth-устройство способно вести «разговор» с 7 «друзьями». Для связи используется нелицензируемый в большинстве стран мира диапазон радиочастот 2,4 ГГц. Скорость передачи данных может составлять от 721 Кбит/с до 3 Мбит/сек в зависимости от используемой спецификации устройства, а расстояние – от 10 до 30 метров.
Одной из новых тенденций развития рынка портативных плееров является поддержка беспроводного интерфейса Bluetooth.
Таким образом, поддержка популярного и широко использующегося проводного интерфейса USB наряду с набирающим популярность беспроводным интерфейсом Bluetooth, делают устройство современным и конкурентоспособным на этом рынке.
Благодаря возможности использования в качестве портативной малогабаритной звуковой USB-карты устройство также должно пользоваться популярностью у владельцев ноутбуков и персональных компьютеров, не оснащенных звуковой картой.
Помимо вышеуказанных сфер применения устройство в силу своей специфики также может быть ориентировано и на рынок экзотичных USB-устройств, о которых упоминалось выше. Этот рынок многим может показаться бесперспективным, однако он пользуется большой популярностью среди программистов и людей, проводящих много времени за компьютером.
К тому же для потребителя покупка одного данного устройства с успехом заменит покупку нескольких устройств, обеспечивающих вместе такую же функциональность. Этот обстоятельство также может привлечь внимание потребителей, обожающих товары два в одном.
1.1 Обзор мультимедиа-устройств с поддержкой USB и/или Bluetooth
Рынок USB-устройств очень быстро развивается. Интерфейс USB не только приходит на смену устаревшим RS-485, RS-232 и LPT, но и конкурирует с уже привычными интерфейсами, такими как Ethernet и WireFire.
Интерфейс USB можно использовать для передачи данных, для передачи данных и питания устройства или просто для питания/подзарядки устройства. Столь широкие возможности объясняются тем, что устройство может получать питание напрямую от шины.
Среди мультимедиа устройств, поддерживающих USB, можно выделить звуковые колонки, колонки с питанием от USB, различные плееры и диктофоны, FM- и TV-тюнеры. Наиболее популярным, конечно, является MP3-плеер.
Интерфейс Bluetooth, который первоначально был ориентирован на рынок портативных компьютеров и сотовых телефонов, теперь начинает завоевывать и рынок портативных устройств, в том числе и рынок MP3-плееров. Интерфейс используется не только для передачи звука на беспроводные наушники, но и для обмена звуковыми файлами, что весьма привлекательно для современной молодежи.
Мультимедиа устройствами, поддерживающими Bluetooth, являются беспроводные наушники и колонки, плееры и различные гарнитуры для сотовых телефонов.
На сегодняшний день самым распространенным и типичным мультимедиа-устройством, поддерживающим и USB, и Bluetooth, является MP3-плеер.
Приведем его характеристики:
поддержка интерфейсов USB и Bluetooth;
воспроизведение MP3-, WMA-, WAVE- и OGG-файлов;
встроенная память объемом не менее 1 Гбайт;
возможность записи звука;
возможность использования в качестве FM-радио.
Как видно, характеристики разрабатываемого устройства вполне соответствуют характеристикам современного портативного плеера.
1.2 Выбор процессора устройства
Процессор устройства, то есть его управляющий микроконтроллер, должен обеспечивать всю функциональность устройства либо иметь возможность соединения с другими микросхемами, обеспечивающими ту функциональность, которую не может обеспечить сам.
Для обеспечения соединения с USBможно воспользоваться двумя возможностями.
Можно подобрать такой управляющий микроконтроллер, который поддерживал интерфейс USB с возможностью программного определения режима работы устройства.
Другой подход предполагает подбор такой микросхемы сопряжения с USB, которая также обеспечивала бы соединение с управляющим микроконтроллером. Однако этот подход не рационален в силу нескольких причин:
при использовании двух микросхем вместо одной, могут возникнуть как аппаратные, так и программные трудности;
выигрыш в стоимости будет минимален, так как микроконтроллеры с поддержкой USB уже внедрены в массовое производство и доступны в различных ценовых вариантах;
общая площадь, которую на печатной плате будут занимать две микросхемы, будет больше площади занимаемой одной микросхемой, так как на сегодняшний день практически все микроконтроллеры как с поддержкой USB, так и без, отличаются малыми размерами.
Рассмотрим микросхемы обеспечивающие соединение cUSB-портом и микроконтроллеры с поддержкой USB и высокой производительностью. Среди множества производителей этой продукции можно выделить такие компании, как Atmel, CypressSemiconductors, Cygnal, FTDI, Microchip и NationalSemiconductors.
Компания FTDI (FutureTechnologyDevicesInternational) специализируется на производстве микросхем сопряжения микропроцессорных устройств с USB. Микросхемы такого рода целесообразно использовать, если управляющий микроконтроллер не имеет собственных средств сопряжения с USB. Однокристальные микросхемы FT232AM и FT232BM представляют собой асинхронный двунаправленный преобразователь USB в последовательный интерфейс, т.е. управляющий микроконтроллер обязательно должен иметь UART порт. FT245AM и FT245BM преобразуют USB в параллельный интерфейс. Стоимость этих микросхем составляет $4.5.
Микропроцессоры C8051F320 и C8051F321 компании Cygnal поддерживают протокол USB2.0, содержат 20 цифровых входов/выходов, АЦП, 4 таймера, а их производительность составляет 25 MIPS. Стоимость микросхемы – около 50$, что, конечно, очень дорого и обуславливает невозможность использования данной микросхемы в разрабатываемом устройстве.
Среди микросхем компании CypressSemiconductors наибольшим интересом у разработчиков пользуется универсальный контроллер CY7C68013A. Рабочая конфигурация контроллера определяется программой, загруженной во внутреннюю оперативную память. Именно эта возможность делает контроллер универсальным: в зависимости от задачи его можно настроить для выполнения тех или иных необходимых функций, к тому же пользователь сам может обновлять программное обеспечение готовых приборов в процессе эксплуатации. Благодаря этому данная микросхема выгодно отличается от рассмотренной продукции компании FTDI.
Компания Microchip выпускает микроконтроллеры с архитектурой PIC и встроенной USB-функцией. Микроконтроллеры семейства PIC16xxxx имеют последовательный интерфейс, от 22 до 33 программируемых выводов и АЦП. Микроконтроллеры семейства PIC18xxxxподдерживают интерфейсы CAN и SPI, имеют от 19 до 34 программируемых выводов и АЦП.
NationalSemiconductors предлагает линейку процессоров семейства CP3000, поддерживающих и USB 1.1, и Bluetooth 1.1. Для создания полностью готового Bluetooth-устройства требуется лишь приемопередатчик, в качестве которого производитель предлагает использовать свою же микросхему LMX5252. Процессоры также поддерживают интерфейсы SPI, UART и PCM. Некоторые из них, например CP3BT26 и CP3CN23 имеют АЦП. Старший представитель семейства CP3SP33 поддерживает протоколы USB 2.0 и Bluetooth 1.2 и имеет встроенное DSP-ядро, предназначенное для декодирования MP3 и WMA. Однако этот процессор только вводится в массовое производство, что сильно затрудняет его использование. Все процессоры семейства CP3000 имеют от 40 программируемых выводов и более и отличаются вполне приемлемой ценой, кроме CP3SP33.
Известный производитель доступных и надежных управляющих микроконтроллеров компания Atmelпредлагает несколько линеек процессоров, поддерживающих USB и другие интерфейсы для обеспечения связи с другими микроконтроллерами и внешней памятью.
Микроконтроллеры с архитектурой MCS51 поддерживают помимо USB ряд других интерфейсов, таких как SPI, UART и TWI. Среди них выделяется процессор AT89C5132, который помимо этого поддерживает интерфейсы I2S и IDE, возможность соединения с MultiMediaCard и DataFlashи имеет 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь.
Микроконтроллеры с ядром AVR, такие как AT90USB1286, AT90USB1287, AT90USB646 и AT90USB647, имеют 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь и способны обеспечивать производительность до 16 MIPS.
Микроконтроллеры семейства AT91с ядром ARM имеют аналого-цифровой преобразователь, большое количество программируемых выводов, поддерживают различные интерфейсы: UART, TWI и SPI. Среди них стоит выделить микроконтроллеры семейства AT91SAM7SE, поддерживающие протокол USB 2.0, имеющие большое количество программируемых выводов и возможность подключения внешней NANDFlash или CompactFlash памяти.
Проанализировав возможности рассмотренных микроконтроллеров, нельзя не заметить очевидное превосходство микроконтроллеров CP3BT26 и AT91SAM7SE. Таким образом, есть возможность использования либо CP3BT26, либо AT91SAM7SE.
В первом случае, требуется Bluetooth-приемопередатчик, внешняя память с подключением по SPI и внешний цифро-аналоговый преобразователь, способный декодировать MP3. Также нужно проработать механизм передачи звука на беспроводные наушники.
Во втором случае также потребуется внешний цифро-аналоговый преобразователь, а также микросхема обеспечивающая Bluetooth-возможности.
Как выяснилось, требуется современный цифро-аналоговый преобразователь. Рассмотрим цифро-аналоговые преобразователи фирмы Micronas, например, UAC3575B и UAC3576B. Они снабжены аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователями, цифровым эквалайзером, входом для микрофона и поддерживают USB 2.0. Их функциональности вполне достаточно для разрабатываемого устройства.
Хорошо известны также микросхемы семейства VS1001 фирмы VLSI. Они предназначены для декодирования MPEG аудио данных, имеют мощное DSP ядро, 18-битный цифро-аналоговый преобразователь и поддерживают последовательный интерфейс. Стоимость такого чипа составляет примерно 20$.
Недавно фирма Free2Move анонсировала модули, предназначенные для Bluetooth мультимедиа устройств и отличающиеся высокой функциональностью, малыми размерами порядка 25мм*15мм и широкой сферой применения. Рассмотрим некоторые из них.
Модуль F2M03CL2 содержит законченный аудио кодек, поддерживает последовательный интерфейс, UART и PCM. Аппаратно поддерживается протокол Bluetooth 1.1. Также есть 8 цифровых входов/выходов и 2 аналоговых.
Другой модуль F2M03MLA имеет 16-битный стерео кодек, 16-битные цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, 32-битное DSP-ядро, поддерживает интерфейсы SPI, UART, I2C и PCM и протокол Bluetooth 2.0. Также есть возможность подключения микрофона.
Другие модули, такие как F2M03GLA, поддерживают USB 2.0, однако их мультимедиа возможности ограничены лишь поддержкой интерфейса PCM, возможности которого соответствуют лишь передаче речевых аудио данных.
Для разрабатываемого устройства возможно использование лишь модуля F2M03MLA. Стоимость его составляет 60$, что, однако вполне соответствует его возможностям.
Проанализировав все вышеописанные данные, можно выделить несколько вариантов:
если выбрать в качестве процессора устройства микроконтроллер CP3BT26, то дополнительно потребуется реализовать посредством интерфейса SPI возможность подключения внешней памяти, а также нужно будет использовать цифро-аналоговый преобразователь – либо VS1001, либо UAC3575B; возможность использования модуля F2M03MLA в данном случае нецелесообразна, так как произойдет дублирование возможностей;
другой вариант – выбрать микроконтроллер AT91SAM7SE, поддерживающий и USB и NANDFlash, и Bluetooth мультимедиа модуль F2M03MLA, соединение с которым можно организовать по интерфейсу SPI или UART.
В первом варианте получим следующие характеристики устройства: USB 1.1, Bluetooth 1.1, аудио выход и аудио вход.
Второй вариант устройства имеет такие характеристики: USB 2.0, Bluetooth 2.0, аудио вход, аудио выход.
Очевидно преимущество второго варианта, на нем и сделаем выбор. Таким образом, в качестве процессора устройства выбран микроконтроллер AT91SAM7SE, который соединяется с готовым Bluetooth мультимедиа модулем по какому-либо доступному интерфейсу.
1.3 Выбор базовых компонентов устройства
Использование AT91SAM7SE и F2M03MLA, обеспечивает поддержку USB, Bluetooth и памяти, а также предоставляет возможность декодирования MP3 файлов и преобразования цифрового сигнала в аналоговый для использования устройства в качестве звуковой карты.
Для достижения максимально возможной функциональности разрабатываемого устройства рассмотрим выбранные компоненты подробнее. И на основе их возможностей подберем базовые компоненты устройства.
Микроконтроллеры семейства AT91SAM7SE построены на RISC-архитектуре и являются лидером в отношении производительность/потребление.
Имеется встроенная быстрая флеш-память объемом 32, 256 или 512 кбайт и интерфейс для подключения внешней памяти. По этому интерфейсу можно подключить 2 микросхемы CompactFlash памяти или 1 микросхему NANDFlash памяти. Для разрабатываемого устройства подойдет микроконтроллер AT91SAM7SE256, имеющий 256 кбайт внутренней флеш-памяти.
Максимальная частота составляет 55 МГц, что обеспечивает 0.9MIPS/ МГц. Поддерживаются 16/32-битные команды и 8/16/32-битные данные. Микроконтроллер имеет 7 режимов работы, 32-битные регистры общего назначения количеством – 31 и 6 статусных регистров.
Микроконтроллер имеет 2 USART (UniversalSynchronousAsynchronousReceiverTransceiver) порта, 1 SPI (SerialPeripheralInterface) порт, 1 TWI (Two-WireInterface) порт, 1 SSC (SerialSynchronousController) порт и 1 USB порт. Помимо этого имеется трехканальный 16-битный таймер, таймер реального времени и сторожевой таймер. 88 из 128 пинов микроконтроллера можно запрограммировать. Каждая линия может быть либо входом с подтягивающим резистором, либо обычным входом, либо входом прерывания.
SPI порт может работать с 4 последовательными устройствами, в том числе и с LCD-дисплеями и обеспечивает скорость до 1Мбит/сек. Встроенный контроллер памяти также может работать с LCD-дисплеем.
USB порт способен обеспечить скорость передачи до 12Мбит/сек и имеет 8 конечных точек.
Теперь рассмотрим модуль F2M03MLA. Он поддерживает интерфейсы SPI, UART имеет 8 программируемых линий, каждая из которых может использовать встроенный pull-up и pull-down резистор. 4 аналоговых аудио линии можно использовать как выход для наушников или миниатюрных динамиков. Еще 4 аудио линии предназначены для аудио входом, причем в состав модуля входит усилитель для микрофона.
Помимо этого модуль поддерживает несколько аудио интерфейсов – PCM, I2S и SPIDF.
Аппаратно поддерживаются четыре Bluetooth-профиля:
headset;
handsfree;
A2DP;
AVRCP.
Также есть возможность модификации программной части модуля для расширения Bluetooth возможностей. Благодаря встроенной антенне радиус действия Bluetoothможет достигать 150 метров.
Помимо процессора устройства и Bluetooth аудио модуля базовыми компонентами устройства являются LCD-дисплей, память и питание для обеспечения автономной работы устройства.
Напряжение питания для AT91SAM7SE и F2M03MLAварьируется от 3.0 до 3.6 В, а номинальным считается напряжение 3.3 В.
Сегодня на рынке аксессуаров для портативной электроники доступны различные виды аккумуляторов, способных обеспечить питание разрабатываемого устройства. Аккумуляторы бывают:
никель-кадмиевые (NiCd) – самые дешевые;
никель-металлгидридные (NiMH) – требуют профилактической полной разрядки хотя бы раз в месяц;
литий-ионные (Li-ion) – наиболее распространенные; после года эксплуатации наблюдается уменьшение емкости аккумулятора;
литий-полимерные (Li-pol) – новинка на рынке аккумуляторов, немного дешевле, чем Li-ion и выдерживает 150 циклов зарядки-разрядки.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию