Hlasový výstup elektronického systému COP Sezimovo Ústí

Hlasový výstup elektronického systému COP Sezimovo Ústí Vyšší odborná škola, Střední škola, Centrum odborné přípravy 2008

Žákovský projekt Petr Čaloun student 4. ročníku oboru Elektrotechnika

Hlasový výstup elektronického systému ©Copyright 2008 Petr Čaloun - Žákovský projekt - Centrum odborné přípravy, Sezimovo Ústí

Anotace Práce se zabývá problematikou hlasového výstupu elektronického systému. V dnešní době je poměrně běžné, že elektronické zařízení, například robot, komunikuje s uživatelem lidským hlasem. Robot má v paměti nahrána slova nebo celé věty a na pokyn řídícího systému je postupně přehrává. Pokud by měl robot umět říkat jednotlivá písmena, je možné datové soubory ukládat do běžných mikroprocesorových pamětí. Při použití slov a vět je nutné použití externí paměti, například harddisk, SD kartu atd. Hlavní úlohou je navrhnout elektronické zařízení pro zvukový výstup, ovládané pomocí sériového rozhraní RS232C, například z PC. Zařízení vyčítá data odpovídající jednotlivým slovům z velkokapacitního paměťového média tvořeného SD kartou o velikosti 512 MB. Formátování dat na SD kartě odpovídá způsobu práce daty s FAT 16 a je možné ji editovat pod OS Windows jako externí HD. Dalším úkolem je vytvořit program pro PIC, který bude komunikovat s SD kartou a generovat zvukový signál na základě vyčtených dat. Po zaslání čísla souboru po sériové lince COM zařízení přehraje příslušný záznam. Délka záznamu může být od 0,1 sekundy až do 12,8 sekund. Zařízení se může použít pro roboty a další inteligentní systémy využívající lidského hlasu pro komunikaci s uživatelem. Po rozšíření nebo změně sady slov je možné zařízení použít všude tam, kde se používá hlasový výstup, tedy výstražné systémy, prodejní automaty, zabezpečovací ústředny, bankomaty a další.

Annotation Work is dealing with problematic of voice output of electrical system. In modern age it is quite common for electrical device, for example robot, to communicate with user in human voice.Robot has saved words or sentences in his memory and when ordered by pocessing unit, he plays them. In order for him to say single letters, it is necessary for data files to be saved in common microprocessor memories. When using words and sentences, it is necessary to use external memory, for example hard-drive, SD-card etc. Main task it to suggest electrical device for audio output controled by serial interface RS232C, for example for PC. Device reproaches data corresponding with words from high-density memory media made by SD card with size of 512 MB. Format of data at SD card corresponds with way of data works with FAT16 and it is possible to edit under OS Windows as external Hard Drive. Next task is to create program for PIC which will communicate with SD card and generate sound signal based on calculated data. After sending number of file by serial line COM device will play according record. Lenght of record can change from 0,1 seconds to 12,8 seconds. Device can be used for robots and for other inteligent systems using human voice for communication with users. After extension or change of the set of words it is possible for device to be used everywhere, where voice output is used, like warning systems, selling machines, security centrals, cashmachines atc.

i


VYŠŠÍ ODBORNÁ ŠKOLA STŘEDNÍ ŠKOLA CENTRUM ODBORNÉ PŘÍPRAVY SEZIMOVO ÚSTÍ Dne:

Výtisk č.:

Počet listů:

Schvalují:

ZADÁNÍ ŽÁKOVSKÉHO PROJEKTU 1. Číslo zadání

ET4B-01/078

2. Název a charakter práce (obor)

Jednotka hlasového výstupu s PIC a SD kartou ovládaná pomocí COM Obor: Elektrotechnika - konstruování s PIC

3a. Zadavatel a konzultant Ing. Čebiš Vladimír 3b. Jazyková a stylistická Mgr. Vandová Ludmila úprava Mgr. Zůbková Marie 3c. Cizojazyčné texty a anotace: 5. Řešitel (jméno, příjmení, třída, datum nar.)

Petr Čaloun

ET4B

4. Vedoucí projektu (závěrečné práce)

Ing. Čebiš Vladimír

nar. 8. 9. 1988

6. Charakteristika zadávané práce – projektu

1. Navrhnout a zkonstruovat hardware jednotky hlasového výstupu s PIC a SD kartou 2. Navrhnout komunikační protokol komunikující se školní robotickou sítí RoboCOP 3. Vytvořit software pro PIC umožňující vyčítání dat z SD karty, kompatibilního s FAT 16 4. Vytvořit vzorová hlasová data na PC disponující minimálně 100 slovy a předvést funkčnost

7. Požadovaný termín odevzdání

30. 03. 2008

(Pokračování na druhé straně) 8. Předpokládaný termín 9. Další formy hodnocení 1. Odborný předmět obhajoby projektu u maturitní 2. Obhajoba u maturity zkoušky 3. Český jazyk Květen 2008 4. Cizí jazyk

ii


10. Požaduje se předložit

1. Zpracovaný projekt podle zadání COP v tištěné podobě včetně české a cizojazyčné anotace v rozsahu jedné strany A4 (25 – 35 řádek) 2. Prototyp jednotky a předvést funkčnost 3. Zpracovaný projekt podle zadání COP na CD (v PDF, Word a zdrojové soubory) 4. Zpracovanou prezentaci projektu na CD (Power Point) 5. Grafické ztvárnění projektu formou plakátu velikosti A3 (v PDF a tištěné podobě) 11. Materiální zajištění (předpokládané náklady a podíl úhrady)

-

Práce bude zpracována převážně v rámci výuky předmětu Praxe-konstruování s PIC Náklady na součástky zajistí škola (cca 500,-Kč) K dispozici je veškeré potřebné technické vybavení, včetně software školy Tisk práce zajistí žák na své náklady

12. Zpracoval

13. Zadání převzal

Ing. Čebiš Vladimír Datum

20. 10. 2007

Podpis

Čaloun Petr Datum

iii

23. 10. 2007

Podpis


Poděkování Žákovský projekt byl zpracován v rámci řádného ukončení 4. ročníku maturitního studia Elektrotechnika – konstruování s PIC. Vedoucím práce byl Ing. Vladimír Čebiš, kterému tímto děkuji za odborné konzultace a cenné rady týkající se struktury i obsahu práce.

V Sezimově Ústí 20. dubna 2008

Petr Čaloun

iv


Obsah 1. ÚVOD........................................................................................................................................ 1 1.1 Téma a širší vymezení problematiky................................................................................. 1 1.2 Cíl projektu.......................................................................................................................... 1 2. ANALÝZA INFORMAČNÍCH ZDROJŮ.................................................................................... 2 2.1 Popis technologie a principů ............................................................................................... 2 2.1.1 Technologie Flash........................................................................................................ 2 2.1.2 Paměťová karta............................................................................................................ 2 2.1.3 Jednočipový mikropočítač PIC..................................................................................... 3 2.1.4 Rozhraní USART ......................................................................................................... 3 2.1.5 SPI protokol.................................................................................................................. 4 2.2 Školní povelová síť RoboCOP ............................................................................................ 4 2.3 Používaná řešení v technické praxi .................................................................................... 5 2.4 Manuály a odborné publikace ke stažení............................................................................ 5 2.5 Internetové stránky s podobnou tématikou ......................................................................... 5 2.6 Historie................................................................................................................................ 6 2.6.1 Projekty na naší škole .................................................................................................. 6 2.6.2 Přehled paměťových karet a jejich vývoj...................................................................... 6 2.6.2.1 Časové uspořádání nejrozšířenějších karet.......................................................... 6 2.6.2.2 Postupný vývoj jednotlivých karet ......................................................................... 6 2.6.2.3 Karty pod lupou ..................................................................................................... 7 3. TEORETICKÝ ROZBOR .......................................................................................................... 9 3.1 Uvedení do problematiky .................................................................................................... 9 3.2 Možná řešení ...................................................................................................................... 9 3.2.1 Výběr karty ................................................................................................................... 9 3.2.1.1 Společné vlastnosti karet ...................................................................................... 9 3.2.2 Komunikační protokol................................................................................................. 10 3.3 Použitá metodika .............................................................................................................. 10 3.4 Princip zvoleného řešení................................................................................................... 10 3.4.1 Komunikační protokol SPI.......................................................................................... 11 3.4.2 Inicializační proces karty ............................................................................................ 11 3.4.3 Formát zasílaných příkazů ......................................................................................... 14 3.4.3.1 Důležité příkazy................................................................................................... 15 3.4.4 Formát přijímaných odpovědí..................................................................................... 15 3.4.5 Data Response Token ............................................................................................... 16 3.4.6 Datové tokeny při zápisu a čtení ................................................................................ 16 3.4.7 Data Error Token........................................................................................................ 17 3.4.8 Vyčítání dat z FAT tabulky ......................................................................................... 17 3.5 Rozměry, architektura a napájení SD karty ...................................................................... 19 4. POPISNÁ ČÁST ..................................................................................................................... 21 4.1 Schéma zapojení .............................................................................................................. 21 4.1.1 Popis schématu.......................................................................................................... 22 4.2 Seznam součástek............................................................................................................ 22 4.3 Osazovací výkres.............................................................................................................. 23 4.4 Fotografie hotového výrobku ............................................................................................ 24 4.5 Motiv plošného spoje ........................................................................................................ 24 4.6 Vývojový diagram řídícího programu ................................................................................ 25 4.7 Popis vstupních, výstupních a ovládacích bloků............................................................... 26

v


4.8 Návod pro obsluhu............................................................................................................ 26 4.9 Návod pro stavbu, oživení a servis ................................................................................... 26 5. ZÁVĚR.................................................................................................................................... 27 5.1 Shrnutí a zhodnocení výsledků........................................................................................ 27 5.2 Doporučení pro další využití a rozšíření............................................................................ 27 DODATEK A............................................................................................................................... 28 A.1 Seznam literatury............................................................................................................... 28 A.2 Seznam použitého zařízení a softwaru ............................................................................. 28 A.3 Přílohy ............................................................................................................................... 29 DODATEK B............................................................................................................................... 30 B.1 Zkratky a termíny............................................................................................................... 30

vi


Seznam obrázků Obrázek 2-1: Výhody Flash paměti............................................................................................. 2 Obrázek 2-2: Paměťové karty ..................................................................................................... 2 Obrázek 2-3: USART .................................................................................................................. 3 Obrázek 2-4: Protokol SPI .......................................................................................................... 4 Obrázek 2-5: Komunikační protokol sítě RoboCOP.................................................................... 4 Obrázek 2-6: Síť RoboCOP ........................................................................................................ 5 Obrázek 2-7: Paměťové karty SD ............................................................................................... 8 Obrázek 3-1: Označení pinů ..................................................................................................... 10 Obrázek 3-2: Časování sběrnice SPI........................................................................................ 11 Obrázek 3-3: Zaslání osmdesáti hodinových taktů ................................................................... 11 Obrázek 3-4: Zaslání CMD0 ..................................................................................................... 12 Obrázek 3-5: Zaslání CMD8 ..................................................................................................... 12 Obrázek 3-6: Zaslání ACMD41 ................................................................................................. 13 Obrázek 3-7: Zaslání CMD58 ................................................................................................... 13 Obrázek 3-8: Inicializační cyklus SPI módu .............................................................................. 14 Obrázek 3-9: Část Boot sektoru................................................................................................ 17 Obrázek 3-10: Kořenový adresář ................................................................................................ 18 Obrázek 3-11: FAT tabulka ......................................................................................................... 18 Obrázek 3-12: Fyzické rozměry SD karty ................................................................................... 19 Obrázek 3-13: Architektura SD karty .......................................................................................... 20 Obrázek 4-1: Schéma zapojení................................................................................................. 21 Obrázek 4-2: Osazovací výkres ................................................................................................ 23 Obrázek 4-3: Hotový výrobek.................................................................................................... 24 Obrázek 4-4: Motiv plošného spoje 1:1..................................................................................... 24 Obrázek 4-5: Vývojový diagram ................................................................................................ 25

vii


Seznam tabulek Tabulka 2-1: Tabulka 3-1: Tabulka 3-2: Tabulka 3-3: Tabulka 3-4: Tabulka 3-5: Tabulka 3-6: Tabulky 3-7: Tabulka 3-8: Tabulka 3-9: Tabulka 3-10: Tabulka 3-11: Tabulka 3-12: Tabulka 3-13: Tabulka 3-14: Tabulka 3-15: Tabulka 4-1:

Postupný vývoj karet ............................................................................................. 6 Vlastnosti SD a MMC karty ................................................................................... 9 Význam pinů........................................................................................................ 10 Formát příkazů .................................................................................................... 14 Důležité příkazy................................................................................................... 12 Formát odpovědi typu R1 .................................................................................... 13 Formát odpovědi typu R2 .................................................................................... 16 Formát odpovědi typu R7 .................................................................................... 16 Data Response Token......................................................................................... 16 Datové tokeny při zápisu a čtení ......................................................................... 16 Data Error Token................................................................................................. 17 Struktura paměti .................................................................................................. 17 Struktura Boot sektoru......................................................................................... 17 Vzorce pro výpočet důležitých adres v paměťovém prostoru.............................. 18 Struktura Kořenového adresáře .......................................................................... 18 Pracovní podmínky SD karty............................................................................... 20 Seznam součástek .............................................................................................. 22

viii


1. Úvod 1.1 Téma a širší vymezení problematiky Práce se zabývá hlasovým výstupem elektronického systému s SD kartou. Toto zařízení má sloužit ke komunikaci s uživatelem pomocí lidského hlasu. Stále více se tento způsob komunikace uplatňuje u všech moderních zařízení a nahrazuje tak psaný text. Toto zařízení má široké využití a je možné ho použít všude tam, kde je zapotřebí sdělit uživateli jakoukoli informaci.

1.2 Cíl projektu Cílem projektu je sestrojit zařízení, které bude přehrávat uložená slova či věty z SD karty. Zařízení bude ovládané prostřednictvím PC pomocí rozhraní COM. Je také zapotřebí vytvořit protokol a ovládání pro tuto komunikaci. Dalším cílem je vytvořit program pro PIC, který bude komunikovat s SD kartou a převádět data z digitální podoby na zvukový signál.

1


2. Analýza informačních zdrojů 2.1 Popis technologie a principů 2.1.1 Technologie Flash Zařízení používá pro ukládání dat SD kartu, která je založena na technologii Flash. Tato technologie je zvláštním druhem paměti EEPROM a zahrnuje v sobě výhody několika druhů pamětí. Výhodou je náhodná přístupnost a programovatelnost paměti po jednotlivých blocích. Lze ji programovat již zabudovanou v zařízení s použitím minima pomocných obvodů. Po odpojení napájení jsou data zachována. Je to zařízení typu Solid State, které je zcela bez pohyblivých částí. Tyto paměti jsou rozměrově malé a odolné vůči vnějšímu prostředí. Používají se technologie NOR, NAND nebo nano FLASH.

Obrázek 2-1: Výhody Flash paměti

2.1.2 Paměťová karta Toto zařízení, které slouží k úschově dat, se vyrábí v různých velikostech, typech a verzích. Hlavními rysy jsou malé rozměry, velká kapacita, malá spotřeba a nízká cena. Podrobněji se paměťovými kartami zabývám v oddílu 2.5.2.

Obrázek 2-2: Paměťové karty

2


2.1.3 Jednočipový mikropočítač PIC Tyto mikropočítače se vyznačují hlavně tím, že jsou kompletně integrovány do jednoho pouzdra a pro činnost potřebují pouze napájení. Používají se k řízení vestavěných systémů. V nabídce jsou 8 bitové až 32 bitové mikropočítače PIC. Jsou rozděleny do několika rodin, například PIC16 MCU nebo PIC18 MCU. Liší se od sebe zejména velikostí pamětí, použitou technologií, počtem pinů, rychlostí CPU nebo podporovanými moduly.

2.1.4 Rozhraní USART USART je synchronní a asynchronní sériové rozhraní, které se využívá pro komunikaci mezi přístroji. Pro komunikaci jsou zapotřebí jen tři vodiče z devíti, a to Tx, Rx a GND. Následující obrázek 2-3 zobrazuje zapojení USARTu pro komunikaci mezi mikroprocesorem a počítačem.

Obrázek 2-3: USART

3


2.1.5 SPI protokol SPI je sériové periferní rozhraní, které se používá ke komunikaci mezi mikroprocesory a ostatními integrovanými obvody. Komunikace je realizována pomocí společné sběrnice. Jsou zde použity čtyři vodiče. Vodič CS aktivuje zařízení typu slave a s hodinovým signálem na vývodu CLK se spustí komunikace mezi vývody SPI a SDI . Na následujícím obrázku 2-3 je jedno z možných zapojení SPI rozhraní.

Obrázek 2-4: Protokol SPI

2.2 Školní povelová síť RoboCOP Architektura sítě je založena na spojení master – slave. To znamená, že master, jako řídící zařízení, ovládá ostatní zařízení typu slave, která jsou mu podřízena. Standardně je v síti jedno zařízení typu master a určitý počet zařízení typu slave, který závisí na technických možnostech sítě. Typickým zařízením master je PC, slave může reprezentovat například sedmi-segmentový displej. Zařízení typu master jsou osazena vidlicí a zařízení typu slave jsou osazena zásuvkou. Komunikace je založena na odeslání adresového bytu a pak jednoho až sedmi datových bytů. Adresový a datový byte odlišuje nejvyšší bit, jak znázorňuje následující obrázek.

Obrázek 2-5: Komunikační protokol sítě RoboCOP

4


Obrázek 2-6: Síť RoboCOP

2.3 Používaná řešení v technické praxi V praxi se pro ukládání a následnou reprodukci zvuku setkáváme s integrovanými EEPROM či FLASH paměťmi, které se nacházejí přímo na základní desce. Princip práce s těmito paměťmi je však obdobný. V praxi se dává přednost spíše menším rozměrům a malé poruchovosti zařízení. Proto se také využívá více těchto pamětí, namísto velkých a mechanicky náchylných Hard-disků.

2.4 Manuály a odborné publikace ke stažení Hlavním zdrojem informací byl manuál vydaný od SD Card Association [6]. Dalším zdrojem byly publikace vydané firmou Microchip [3-5]. Poslední část tvoří odborné publikace, jejichž odkazy jsou uvedeny na stránkách tohoto projektu [1]. Převážná většina podobných publikací však nešla využít, protože jsou zaměřeny pouze na kartu MMC.

2.5 Internetové stránky s podobnou tématikou Podobná zařízení, která jsou vytvořena spíše pro vývoj než jako koncový produkt, jsou nabízena k zakoupení na zahraničních internetových stránkách spolu s programem pro jejich ovládání. Jejich a další odkazy jsou také umístěny na stránkách projektu [1].

5


2.6 Historie 2.6.1 Projekty na naší škole Na naší škole se již delší dobu vytváří povelová síť RoboCOP. Tato síť je řízena jedním hlavním masterem, například počítačem, a je schopna ovládat dalších 128 zařízení podporujících tento protokol. Již byla vytvořena řada zařízení, která mohou komunikovat s touto sítí.

2.6.2 Přehled paměťových karet a jejich vývoj 2.6.2.1 Časové uspořádání nejrozšířenějších karet 1990 - PCMCIA 1994 - Compact Flash (CF) 1995 - Smart Media (SM) 1997 - MultiMediaCard (MMC) 1998 - Memory Stick (MS) 1999 - Secure Digital (SD) 2002 - xD - Picture Card 2.6.2.2 Postupný vývoj jednotlivých karet Compact Flash (CF) • Compact Flash (CFII) Smart Media (SM) MultiMediaCard (MMC) • Reduced Size MultimediaCard (RS-MMC) • MultiMediaCard mobile (MMCmobile, DV-RS-MMC) • MultiMediaCard plus (MMCplus) • MultiMediaCard micro (MMCmicro) Memory Stick (MS) • Memory Stick Duo (MSD) • Memory Stick PRO (MSP) • Memory Stick PRO Duo (MSPD) • Memory Stick Micro M2 (M2) • Memory Stick PRO-HG Duo (MSPDX) Secure Digital (SD) • Secure Digital Card mini (miniSD) • Secure Digital Card micro (microSD) • Secure Digital High Kapacity (SDHC, SD2) • Secure Digital High Kapacity mini (miniSDHC) • Secure Digital High Kapacity micro (microSDHC) xD - Picture Card (xD) • xD cards M • xD cards H Tabulka 2-1: Postupný vývoj karet

6

1994 1998 1995 1997 2003 2005 2005 2005 1998 2001 2003 2003 2006 2006 1999 2003 2005 2006 2007 2007 2002 2005 2005


2.6.2.3 Karty pod lupou Prvním představitelem paměťových karet jsou karty nazývané CompactFlash, které vznikly v roce 1994. Tento typ byl poprvé specifikován a vyroben firmou SanDisk. Pro přenos dat je zde využíváno paralelní komunikace SATA (serialATA). Compact Flash karty se rozdělují na dva typy, a to na CF I, které mají šířku 3.3 mm, a CF II, které disponují šířkou 5mm. Specifikovány jsou rychlosti karet CF, CF2.0 (CF+/CF High Speed), CF3.0 a CF4.0. Posléze vznikla také asociace s názvem Compact Flash Associaton (CFA), která dohlíží na vývoj a dodržování standardů. Druhým typem paměťové karty vyráběné v roce 1995 a představené firmou Toshibou je karta s názvem Smart Media. Její prvotní název byl Solid State Floppy Disk Card (SSFDC). Formát této karty je založen na ATA a DOS file standardu. SM karta je dostupná v kapacitách od 2 do 128MB. Používala se hlavně v kamerách. Dnes ji můžeme vidět v počítačích, které v sobě mají zabudovaný příslušný slot. Za jejího nástupce se pokládá xD karta, není však kompatibilní s SM kartou. Dalším nováčkem na trhu v roce 1997 byla MultiMediaCard, jejímž tvůrcem byly firmy Siemens AG a SanDisk. Tato karta je ještě menší a pevnější než karta SM. MMC-čka jsou také kompatibilní se slotem pro SD karty, pokud má daný přístroj příslušný firmware . Tato karta se dnes dodává s maximální kapacitou 8GB. V dalších letech následovalo ještě pět typů této karty, které se liší především svou velikostí (e-MMC), kapacitou a přenosovou rychlostí. V roce 1998 přišla na trh karta s názvem Memory Stick od firmy Sony. Tato karta byla delší a tlustší než předcházející, to ji ale přidalo na odolnosti. V následujících letech byly vytvořeny další menší typy této karty, které se využívají převážně u výrobků firmy Sony. Rok 1999 byl rokem karty Secure Digital vyrobené pod štítkem firmy Matsushita, Sandisk a Toshiba. V podstatě je to vylepšená MMC karta, jen o něco širší. Vyznačuje se vyšší přenosovou rychlostí, podporou ochrany digitálních nahrávek a podobně jako u MS karet má ochranu proti přepsání. Také jako u většiny jiných karet vývoj pokračoval dál a vznikly další typy s menšími rozměry a větší kapacitou. V poslední době přibyl typ SDIO. V případě, že nějaké zařízení, například PDA, disponuje SD slotem a firmwarem pro SDIO karty, tak můžete připojit do tohoto slotu také bluetooth, scanner či GPS a spoustu jiných zařízení. Poslední karta nazývaná xD nebo také Picture card přišla v roce 2002. U jejího zrodu stály společnosti Olympus a Fujifilm. Pro tyto společnosti je vyrábí Toshiba Corporation a Samsung Electronics. Rozměrově jsou menší než standardní velikost ostatních karet, dnes již však nejsou nejmenším paměťovým médiem na trhu díky stálému vývoji ostatních typů karet. xD karta je patentovaný formát, stejně tak jako karta Memory Stick. Chybí tak veřejná dokumentace či popis provedení. To však neplatí pro formáty SD, MMC či CompactFlash.

7


Obrázek 2-7: Paměťové karty SD

8


3. Teoretický rozbor 3.1 Uvedení do problematiky Abychom mohli komunikovat s SD kartou potřebujeme k tomu vhodný mikroprocesor, který podporuje protokol karty. Zároveň musí podporovat modul UART pro komunikaci s počítačem, PWM pro přehrání zvuku a jeho taktovací frekvence musí být nejméně 20MHz.

3.2 Možná řešení 3.2.1 Výběr karty V úvahu přicházejí tři typy karet, a to CF, SD nebo MMC. Karta CF je však příliš velká a není kompatibilní s jiným typem karty, proto se zaměříme pouze na kartu SD a MMC, které mohou mít společný slot.

3.2.1.1 Společné vlastnosti karet • SPI Protokol • Výběr módu • Ochrana při přenosu dat • Čtecí/zapisovací operace a časování • Mazací a zapisovací Protect Management • Čtení CID/CSD registru • Resetovací sekvence • Hodinový signál • Rozdělení paměťového pole • Formát příkazu/odpovědi

Vlastnost

Secure Digital Card

Multimedia Card

Rozměry [mm] DRM Čip kontrolér Ochranný přepínač proti přepsání Max. velikost paměti, MB Teoretická max. velikost paměti Max. rychlost čtení, MBytes/s Max. rychlost zápisu, MBytes/s Počet čtení/zápisů 1 Technologie Operační napětí Controller chip Počet pinů 2

32 × 24 × 2.1 Ano Ano Ano 32768 128 GB 20 20 2,000,000 NAND 3.3 Ano 9

32 × 24 × 1.5 ano Ano Ne 8192 128 GB 20 20 2,000,000 NAND 3.3 Ano 7

(1) Hodnota se může lišit podle výrobce. (2) Záleží na typu karty, viz obrázek 2-7.

Tabulka 3-1: Vlastnosti SD a MMC karty

9


3.2.2 Komunikační protokol Jsou dva možné způsoby, jak řídit kartu. První je pomocí protokolu SD, který využívá paralelní nebo sériovou komunikaci. Druhý způsob je pomocí protokolu SPI, využívající sériovou komunikaci.

Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Název CD/DAT3 CMD VSS1 VDD CLK VSS2 DAT0 DAT1 DAT2

SD Mód Popis Detekce karty / Datový vodič [Bit 3] Příkaz / Odpověď Uzemnění Napájecí napětí Hodinový signál Uzemnění Datový vodič [Bit 0] Datový vodič [Bit 1] Datový vodič [Bit 2]

SPI Mód Název Popis CS Výběr čipu DI Vstupní data VSS1 Uzemnění VDD Napájecí napětí SCLK Hodinový signál VSS2 Uzemnění DO Výstupní data rezervováno rezervováno

Tabulka 3-2: Význam pinů

Obrázek 3-1: Označení pinů

3.3 Použitá metodika Pro tento projekt jsem se rozhodl použít kartu SD, protože její slot podporuje také kartu MMC. Jako komunikační protokol jsem si vybral protokol SPI, který podporuje také mikroprocesor PIC.

3.4 Princip zvoleného řešení Hlavní část zařízení tvoří mikropočítač PIC 16F887, který vše řídí. Nedílnou součástí je také paměťová karta typu SD, sloužící pro ukládání zvukových souborů. Mikropočítač se stará o komunikaci mezi počítačem a paměťovou kartou. Dále má za úkol převádět získaná data z SD karty na zvukový signál pomocí modulu PWM. Díky tomuto modulu zařízení disponuje audio výstupem. Poslední částí zařízení je MAX232 pro převod logických úrovní.

10


3.4.1 Komunikační protokol SPI Tento komunikační protokol využívá celkem tří vodičů a navíc jeden k výběru karty.

Obrázek 3-2: Časování sběrnice SPI

3.4.2 Inicializační proces karty Karta má simplicitně nastaven SD mód. Pro přechod do SPI módu musíme na signál CS přivést neaktivní úroveň. Poté provedeme 80 hodinových taktů na sběrnici SPI .

Obrázek 3-3: Zaslání osmdesáti hodinových taktů

11


Následuje nastavení CS signálu na aktivní úroveň. První příkaz, který zasíláme, je CMD0, poté se dostáváme do SPI módu. Tento příkaz již nelze opakovat, pouze po zavedení nové inicializace. Hodnota odpovědi musí být 0x01, jiná hodnota indikuje chybu.

Obrázek 3-4: Zaslání CMD0 Následuje nově přidaný příkaz CMD8, který zjišťuje podporu multiple voltage ranges a kontroluje podporu napájecího napětí. Pokud dostaneme správnou odpověď, znamená to, že vložená karta je verze číslo 2. či pozdější. Špatná odpověď může znamenat starší verzi SD karty či MMC kartu.

Obrázek 3-5: Zaslání CMD8 Po získání správné odpovědi můžeme zaslat příkaz CMD58 pro získání OCR, tento příkaz však není povinný. Další příkaz je ACMD41, který se opakuje do té doby, dokud nedostaneme odpověď 0x00.

12


Obrázek 3-6: Zaslání ACMD41 Poté již musíme odeslat CMD58 pro získání CCS bitu. Tento bit nám říká, jestli vložená karta je typu High Capacity či Standard Capacity.

Obrázek 3-7: Zaslání CMD58 Po získání odpovědi je dokončena inicializace SD karty. Doposud byl hodinový signál nastaven do frekvence 400KHz. Nyní můžeme nastavit frekvenci na maximum. Po inicializaci se většinou posílá příkaz CMD16, který nastaví délku datového bloku, se kterým budeme číst a zapisovat data. Na následujícím obrázku je zobrazen vývojový diagram celé inicializace.

13


Obrázek 3-8: Inicializační cyklus SPI módu

3.4.3 Formát zasílaných příkazů Každý zasílaný příkaz má délku 6 bajtů. Následující tabulka zobrazuje jeho strukturu. Pozice bitu 47 Šířka (bitů) 1 Hodnota 0 Popis start bit

46 1 1 stálý bit

[45:40] 6 X číslo příkazu

[39:8] 32 X argument

[7:1] 7 X CRC7

0 1 1 stop bit

Tabulka 3-3: Formát příkazů Každý příkaz začíná start bitem a poté následuje vysílací bit. Další bity, kromě stop bitu, jsou různé. Příkazy mohou být kontrolovány CRC součtem, tuto funkci jsem však nepoužil. •

•

Příklad zaslání příkazu pro vyčtení sektoru: CMD17 (argument=3D000h) --> 01 010001 00000000000000111101000000000000 1001010 1 Pro zaslání jakéhokoli příkazu ACMD se musí nejprve odeslat příkaz CMD55. Příklad zaslání příkazu ACMD41: CMD55 (argument=0h) --> 01 110111 00000000000000000000000000000000 1001010 1 ACMD41(argument=FF00000h) --> 01 110111 00001111111100000000000000000000 1001010 1

14


3.4.3.1 Důležité příkazy Příkaz

Argument

CMD0

Typ

Žádný

R1

GO_IDLE_STATE

R7

SEND_IF_COND

R1

SET_BLOCKLEN

CMD16

[31:12] Reservované bity [11:8] Napájecí napětí (VHS) [31:0] Délka bloku

CMD17

[31:0] Adresa dat

R1

CMD24

[31:0] Adresa dat

R1

CMD55

Žádný

R1

CMD58

Žádný

R3

ACMD41 Žádný

R1

CMD8

Zkratka

Popis Resetuje kartu a nastane klidový stav Pošle stav rozhraní SD karty

Nastaví velikost bloku dat Přečte blok o velikosti READ_SINGLE_BLOCK podle CMD16 Zapíše blok o velikosti WRITE_BLOCK podle CMD16 Další příkaz bude APP_CMD ACMDxx READ_OCR Přečte registr OCR Aktivuje inicializační SD_SEND_OP_COND proces karty

Tabulka 3-4: Důležité příkazy

3.4.4 Formát přijímaných odpovědí Response R1 je obsažen ve všech odpovědích a je rozdělen na Response R1A a R1B. R1A je popsán v následující tabulce. Response R1B je stejný až na nultý bit, který může být v tomto případě proměnný. Nulová hodnota indikuje stále probíhající inicializaci a jednička indikuje připravenost pro další příkaz. Bajt

1

Bit 7 6

Chyba

Definice

Start bit Chyba parametru

5

Chyba adresy

4 3 2 1 0

Chyba Erase Sequence Chyba CRC během komunikace Chybný příkaz Reset mazání Idle stav

Nastaven vždy v 0 Parametr příkazu byl mimo rozsah Nezarovnaná adresa vzhledem k délce komunikačního bloku Nastala chyba při sekvenci příkazů mazání Špatný součet CRC při posledním příkazu Byl přijat neexistující příkaz Mazání nebylo dokončeno Karta je v idle stavu a provádí se inicializace

Tabulka 3-5: Formát odpovědi typu R1

15


Response R2 má dva bajty a je odpovědí na příkaz CMD13. První bajt je stejný jako response R1 a za ním následuje bajt, který je popsaný v následující tabulce. Bajt

Bit 7

1

6 5 4 3 2 1 0

Chyba

Definice Parametr byl mimo rozsah nebo se host pokoušel Mimo rozsah změnit ROM Chyba parametru mazání Chybný výběr, sektor nebo skupina pro mazání Porušení ochrany zápisu Příkaz se pokoušel zapisovat do chráněného bloku ECC karty selhalo Byl použit kód opravy chyb, který selhal Chyba karty Chyba vnitřního kontroléru karty Neznámá chyba Během operace se vyskytla neznámá chyba Tento bit je nastaven při pokusu o zapisování do Ochrana zápisu chráněného sektoru Karta je zamčena Bit indikující zamknutou kartu Tabulka 3-6: Formát odpovědi typu R2

Response R3 je odeslán na příkaz CMD58. Začíná prvním bajtem stejným jako R1 a poté následují 4 bajty obsahující OCR. Response R5 a R6 jsou rezervovány pro SDIO karty. Response R7 je odpověď pro příkaz CMD8. Začíná response R1, další bajty jsou popsány v následující tabulce. Bajt 1 1-3 3 4

Bit 31-28 27-12 11-8 7-0

Definice Verze příkazu Rezervované bity Voltage accepted Check patter

Tabulky 3-7: Formát odpovědi typu R7

3.4.5 Data Response Token Každý datový blok zapsaný na kartu je kontrolován pomocí Data response token. Je dlouhý jeden bajt a má následující strukturu. Bit 7-5 4 3-1 0

Definice Nepoužito hodnota XXX Stálý bit s hodnotou 0 010 - Data přijata a v pořádku zapsána 101 - Data byla odmítnuta kvůli chybě CRC 110 - Data byla odmítnuta kvůli chybě zápisu Stálý bit s hodnotou 1 Tabulka 3-8: Data Response Token

3.4.6 Datové tokeny při zápisu a čtení Příkazy čtení a zápisu jsou spojeny s datovými tokeny, přes které data přijímáme či vysíláme. Mají následující formát. Bajt 1 2-513 514-515

Definice Začátek bloku s hodnotou 0xFE Uživatelská data CRC součet

Tabulka 3-9: Datové tokeny při zápisu a čtení

16


3.4.7 Data Error Token Pokud selže čtení dat z paměti a karta není schopna je vyčíst, tak pošle data error token. Tato odpověď má 1 bajt a je popsána v následující tabulce. Bit 7-4 3 2 1 0

Definice Nulové hodnoty Parametr byl mimo rozsah nebo se host pokoušel změnit ROM Byl použit kód opravy chyb, který selhal Chyba vnitřního kontroléru karty Během operace se vyskytla neznámá chyba Tabulka 3-10: Data Error Token

3.4.8 Vyčítání dat z FAT tabulky Následující tabulka zobrazuje strukturu paměti. Popis Master Boot rekord Nevyužité místo Boot sektor Nevyužité místo Alokační tabulka 1 Alokační tabulka 2 Kořenový adresář Datová oblast Tabulka 3-11: Struktura paměti Pro vyčítání dat si musíme nejdříve vypočítat několik hodnot, které nám udávají, na jaké adrese začíná boot sektor, první FAT tabulka, kořenový adresář a další důležité části paměti. První část paměti zaujímá Master Boot Record. Obsahuje informace o oddílech paměti. Pokud přečteme nultou adresu paměťové karty, zjistíme, že již čteme boot sektor, ve kterém se nacházejí všechny potřebné hodnoty. Tyto části jsou zobrazené v následující tabulce. Ofset Délka Popis Bh 2B Velikost sektorů v bajtech Dh 1B Počet sektorů na klůstr Eh 2B Počet sektorů mezi boot record a FAT1 10h 1B Počet alokačních tabulek FAT 11h 2B Počet vstupů do kořenového adresáře 16h 1B Počet sektorů v jedné FAT Tabulka 3-12: Struktura Boot sektoru

Obrázek 3-9: Část Boot sektoru

17


Pro procházení obsahu uložených souborů musíme nejprve vypočítat začátek první FAT a následně začátek root adresáře. Poslední vzorec je na výpočet začátku datové oblasti. Výpočet Vzorec Výpočet FAT1 Adresa boot + velikost sektoru * počet rezervovaných sektorů Výpočet root adresáře Začátek FAT1 + velikost sektoru * počet sektoru ve FAT * počet FAT Výpočet adresy dat Začátek kořenovéh oadresáře + počet vstupů do root * 32 Tabulka 3-13: Vzorce pro výpočet důležitých adres v paměťovém prostoru Každý soubor či adresář má v kořenovém adresáři 32 bajtů. Důležité části jsou zobrazeny v následující tabulce. Ofset 0h +8h +Bh +1Ah +1Ch

Délka 8B 3B 1B 2B 4B

Popis Název položky Přípona položky Atribut souboru První cluster souboru nebo adresáře Délka souboru

Tabulka 3-14: Struktura Kořenového adresáře Na obrázku 3-9 je zobrazen jeden soubor v kořenovém adresáři.

Obrázek 3-10: Kořenový adresář FAT tabulka obsahuje adresy clusterů, které se nacházejí v datové oblasti paměťové karty. Pokud bychom chtěli přehrát soubor BET, musíme přečíst adresu prvního clusteru, která je uložena v kořenovém adresáři. V tomto případě je to druhý cluster. Následně vyčteme adresu, která je uložena na druhém clusteru ve FAT tabulce. Takto bychom pokračovali dokud by jsme nenarazili na hodnotu 0xFFFF. Tato hodnota znamená konec souboru. Následující obrázek zobrazuje FAT tabulku. Všimněte si, že adresy na sebe navazují, pokud to tak je znamená to, že soubor není fragmentovaný. Pokud by byly clustery různě rozmístěné znamenalo by to, že soubor je fragmentovaný.

Obrázek 3-11: FAT tabulka

18


3.5 Rozměry, architektura a napájení SD karty

Obrázek 3-12: Fyzické rozměry SD karty

19


Obrázek 3-13: Architektura SD karty

Parametr Napájecí napětí

Symbol

Min

Max

Jednotky

VDD

2.0

3.6

V

250

ms

-0.3

VDD+0.3

V

-10

10

uA

-10

10

uA

Power up time Špičkové napětí Všechny vstupy Vstupní propustný proud Všechny výstupy Výstupní propustný proud

Tabulka 3-15: Pracovní podmínky SD karty

20


4. Popisná část 4.1 Schéma zapojení

Obrázek 4-1: Schéma zapojení

21


4.1.1 Popis schématu Celý obvod je napájený napětím 3,3V. O stabilizaci napětí na tuto hodnotu se stará stabilizátor LM2574N. Pro možnost naprogramování mikropočítače PIC v obvodu je zde konektor JP1, kterým se připojí ICSP. Rezistory R8 až R13 slouží k ochraně karty před zkratováním pinů. Pro převod logických úrovní slouží MAX 232, u kterého jsou LED diody pro indikaci komunikace mezi mikroprocesorem a PC.

4.2 Seznam součástek Následující součástky lze objednat u firmy GME. Název

Sk. Číslo

Popis

Počet Cena Ks 1Ks [Kč] 3 2,00

R1 - R3

900-029 Rezistor, 180R, SMD velikost 1206

R4

900-088 Rezistor, 33K, SMD velikost 1206

1

2,00

R5, R7

900-005 Rezistor, 10K, SMD velikost 1206

2

2,00

R6

900-010 Rezistor, 11K5, SMD velikost 1206

1

2,00

R8 - R13

900-004 Rezistor, 100R, SMD velikost 1206

5

2,00

C1

123-063 Elektrolytický kondenzátor 22uF/100V

1

1,50

C2

123-137 Elektrolytický kondenzátor 220uF/25V

1

1,50

C3 - C7

907-029 Tantalový kondenzátor, 1M/16V SMD

5

2,50

C8 - C9

905-098 Keramický kondenzátor, 15pF, SMD

2

2,50

C10, C12

905-081 Keramický kondenzátor, 100nF, SMD

2

2,50

C11

905-139 Keramický kondenzátor, 220nF, SMD

1

2,00

LD2, LD3

960-006 LED, zelená, SMD

2

3,50

LD1

960-014 LED, červená, SMD

1

6,00

D1

223-105 Schottkyho dioda, 1A /60V , SS16

1

8,00

Q1

131-080 Krystal, 20MHz, mini

1

9,90

B1

227-004 Usměrňovací můstek, 1,5A/250V

1

3,00

S1

630-134 Miniaturní spínač, SMD

1

5,00

IC1

330-136 Stabilizátor, 0.5A/3.3V

1

48,00

IC2

967-167 PIC16F887-I/PT

1

75,00

IC3

959-250 MAX3232CSE

1

95,00

K375A

806-049 Napájecí konektor, 2,1mm do PLS 90°

1

8,00

X3

809-081 Jack 3,5, stereo zásuvka do DPS

1

7,00

SD/MMC

823-034 Slot pro SD a MMC karty

1

29,00

CAN9Z90 801-041 Konektor Canon do DPS

1

9,00

CUTA215 661-092 Cuprextit 100x100 dvoustranný

1

58,00

SD karta

1

250,00

-

SD či micro SD karta s adaptérem Tabulka 4-1: Seznam součástek

22


4.3 Osazovací výkres Bottom

Top

Obrázek 4-2: Osazovací výkres

23


4.4 Fotografie hotového výrobku

Obrázek 4-3: Hotový výrobek

4.5 Motiv plošného spoje Top

Bottom

Obrázek 4-4: Motiv plošného spoje 1:1

24


4.6 Vývojový diagram řídícího programu

S INIT PIC

INIT SD karty

NE

Přišel příkaz ? ANO

Najdi požadovaný soubor

Přehraj cluster

Je cluster poslední?

NE

ANO

Obrázek 4-5: Vývojový diagram

25


4.7 Popis vstupních, výstupních a ovládacích bloků Pro ovládání zařízení slouží konektor COM, na který se připojí kabel vedoucí z PC. Zařízení má vstup na SD kartu. Tento vstup se po úpravách softwaru dá použít i pro MMC karty. Dalším vstupem je konektor pro připojení napájecího napětí. Deska disponuje jedním tlačítkem pro případné využití v budoucnu. Poslední částí je zvukový výstup pro připojení reproduktorů.

4.8 Návod pro obsluhu Pro ovládání jednotky slouží počítač s portem COM a s libovolným softwarem umožňujícím vysílat data po USART. Obvod je potřeba napájet pomocí adaptéru, který má 12-45V. Pro reprodukci zvuku je třeba připojit k zařízení aktivní reprosoustavu. Odesláním čísla 1 – 100 se vybere slovo či věta k přehrání.

4.9 Návod pro stavbu, oživení a servis Pro sestavení této desky je potřeba zakoupit součástky uvedené v tabulce 4-1. Leptací roztok a další materiál k výrobě plošných spojů je samozřejmostí. Dalším krokem je vytisknutí motivu plošného spoje (obrázek 4-4) na fólii či pauzírovací papír a osvícení oboustranné fotocitlivé desky. Při přikládání motivu na desku dávejte zvlášť velký pozor, aby se obě strany kryly. K tomuto účelu slouží dobře kus nepotřebného cuprextitu, na který se z každé strany rovnoměrně přilepí průsvitnou izolepou motiv plošného spoje a deska se následně zasune do vzniklého prostoru mezi motivy. Pro zajištění motivu proti pohybu vložíme vše mezi skleněné tabulky a pevně zajistíme. Následuje osvícení pod UV výbojkou, které trvá přibližně čtyři minuty. Po osvícení ponoříme desku do vývojky a počkáme, až se odplaví fotorezist z plošného spoje. Před leptáním desku omyjeme vodou, abychom tak odplavili přebytečný fotorezist. Poté nachystáme leptací roztok, například chlorid železitý, a desku postupně pokládáme na hladinu tak, aby nevznikly vzduchové bubliny pod deskou. Po vyleptání desku vyleštíme lihem a pilníkem můžeme zarovnat hrany. Všechny spoje zkontrolujeme multimetrem a v případě zkratovaných spojů použijeme jehlového pilníku na odstranění chyb. V tuto chvíli je deska připravena na osazování. Pro osazování SMD součástek použijte mikropáječku s jemným hrotem. Při pájení nešetřete kalafunou a vše přiměřeně prohřejte, tak aby vznikl kvalitní spoj. Osazovat se začínají nejprve pasivní součástky, jako je odpor či kondenzátor. Než něco připájíte, zkontrolujte, zda budete mít dostatek prostoru na osazení nějaké menší součásti, která se nachází poblíž. Po proměření funkčnosti spojů můžete nanést na desku ochranný lak. Následuje oživení desky. Můžeme si připravit napájecí zdroj a další potřebné příslušenství. Po připojení napájení, reproduktorů, karty a propojením zařízení s počítačem můžeme zaslat první příkaz, který přehraje příslušné slovo.

26


5. Závěr 5.1 Shrnutí a zhodnocení výsledků V tuto chvíli je zařízení schopno komunikovat s SD kartou. Posílá příkazy a reaguje na odpovědi. Modul PWM již přehrává zvuk, data zvukového souboru jsou uložena zatím v paměti programu. Program i celkové zapojení zařízení budu dále rozšiřovat. Navíc se podařilo vytvořit webové stránky projektu [1]. Na těchto stránkách je vždy možno získat nejnovější verzi programu.

5.2 Doporučení pro další využití a rozšíření Toto zařízení by šlo dále rozšířit přidáním mp3 převaděče, LCD displejem a ovládacími tlačítky. S použitím elektrických monočlánků by tak vzniklo přenosné mp3 zařízení, které by bylo schopné zobrazovat seznam skladeb a následně přehrávat vybrané zvukové soubory.

27


Dodatek A A.1 Seznam literatury [1] ČALOUN, P. Maturitní projekt [online]. Duben 10, 2008. Dostupné na WWW: . [2] MAXIM MAX232 datasheet [online]. San Gabriel Drive : 2003. Dostupné na WWW: . [3] MICROCHIP PIC16F882/883/884/886/887 : Data Sheet [online]. Dostupné na WWW: [4] MICROCHIP SPI : Overview and Use of the PICmicro Serial Peripheral Interface [online]. Microchip, October 22, 2002 [cit. 5. prosince 2007]. Dostupné na WWW: . [5] MICROCHIP USART : Using the USART in Asynchronous Mode [online]. Microchip, October 22, 2002 [cit. 5. prosince 2007]. Dostupné na WWW: . [6] SD GROUP; SD CARD ASSOCIATION SD Specifications : Part 1 : Physical Layer : Simplified Specification [online]. Version 2.00. San Ramon (Calif.) : SD Card Association, September 25, 2006 [cit. 21. října 2007]. Dostupné na WWW: .

A.2 Seznam použitého zařízení a softwaru Eagle EM 621 Fx Audio Tools HC-D230-4x Hewlett Packard 54600 Intel Celeron 2,8 Ghz, 1024MB RAM Metex-M3270D MPLAB IDE v8.00 Paint.NET PICkit 2 PICkit 2 v2.40 Scontrol WinHex

Program pro tvorbu schémat Digitální osciloskop pro PC Program pro převod zvukových souborů Laboratorní zdroj Stolní digitální osciloskop Osobní počítač Multimetr Vývojové prostředí Grafický program Hardware na programování PICů Program pro programování PICů Program pro ovládání sériové linky Program pro správu disků

28


A.3 Přílohy •

Plakát projektu o formátu A3

Doprovodné CD • • • • • • • •

Dokumentace v PDF a DOC formátu Program v ASM a jeho výpis v LST Projektový plakát Zadání Software Manuály Prezentace v PowerPointu Fotografie z vývoje

29


Dodatek B B.1 Zkratky a termíny CF

Compact Flash

CLK

Clock signal

CMD

Command (vodič nebo SD příkaz v podobě CMDXX)

CS

Chip Select

DAT

Data line

DRM

Digital Rights Management

FAT

File Allocation Table

ICSP

In Circuit Serial Programming

LED

Light Emitting Diode

MMC

Multi Media Card

MS

Memory Stick

PC

Personal Computer

PDA

Personal Digital Assistant

PIC

Programmable Interface Controller nebo Programmable Intelligent Computer

SCLK

Serial Clock

SD

Secure Digital

SDI

Serial Data In (DI)

SDIO

Secure Digital Input/Output

SDO

Serial Data Out (DO)

SM

Smart Media

SPI

Serial Peripheral Interface

USART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

Vdd

Kladné napájecí napětí +

Vss

Záporné napájecí napětí -

xD

Picture Card

30

Hlasový výstup elektronického systému COP Sezimovo Ústí

Recommend Documents