引言

在嵌入式系统市场中，尽管32位处理器炙手可热，却始终无法完全取代8位单片机，二者各有千秋[1]。目前，国内院校单片机课程大都以51单片机为主线进行讲授，但51系列单片机资源有限，难以实现彩色图像的显示，这造成彩屏模块相关章节教学和实验的缺失。为解决此问题，本文采用大容量单片机STC89C516RD+作为控制核心，利用笔者研制的单片机教学实验仪PHOENIX325作为实验平台，设计了一款数码相框，可实现特定格式彩色照片的显示，有助于学生理解彩屏控制、SD卡文件系统等内容。同时，为增强数码相框的功能，提高教学的趣味性，在数码相框上设计集成了一款小巧、性能优异的FM收音机。图1为系统框图。

图1 系统框图

1器件选择

1.12.4英寸彩屏模块

彩屏模块裸屏控制器为ILI9328，支持8位和16位两种数据模式，屏幕大小为2.4英寸，分辨率为320×240，数据线为44针，与PHOENIX325实验仪之间的接口为20引脚单排针，可以直接使用LCD12864接口。

1.2单片机

一张320×240分辨率的普通BMP图片大小一般为20~30 KB，编程时生成的数组大小也很可观[2-3]，这就要求单片机具备足够大的程序存储器，还要有利于数据交换的足够大的RAM，因此普通51单片机是不能胜任的。

STC89C516RD+单片机是深圳宏晶公司的一款产品，拥有64 KB的FLASH和1 KB的RAM，与SD卡配合，可以轻松满足用彩屏显示照片的需要。

1.3SD卡

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于半导体FLASH的新一代记忆设备，它拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性[4-5]。SD卡支持SPI、1位SD、4位SD三种传输模式，利用SD卡配合TFT彩屏，编程使彩屏可显示BMP图片，从而实现数码相框功能。

SD卡的作用是存储分辨率为320×240的BMP格式照片，采用SPI方式与单片机接口，重点是SD卡与单片机的通信和电平匹配。

1.4旋转编码器

旋转编码器是一种用来测量转速、计数、定位的装置，常见的旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。本文选用的旋转编码器又称“旋转飞梭”，型号为EC11。旋转时输出两组脉冲信号A相和B相，二者相位相差90°，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以鉴相、计数[6]。除此之外，按下编码器手轮时还可输出一路D相脉冲，作为复位信号。

1.5FM器件

FM器件选用国产数字收音芯片RDA5807，负责电台信号的接收与输出，该器件具有灵敏度高、噪声小、抗干扰能力强、外接元件少、体积小等特点，兼容76～108 MHz全球FM频段（包括日本76～91 MHz和欧美87.5～108 MHz），含有I2C总线和SPI串行总线接口，支持外部基准时钟输入方式，支持高功率32 Ω负载音频输出，直接耳机驳接，无需外接音频驱动放大[7]。

2电路设计

电路设计的重点是TFT模块、SD卡、FM模块等单元的设计，由于彩屏和SD卡均为3.3 V供电，因此设计时除考虑电平匹配外，还要注意不能忽略上拉电阻的布置。

2.1TFT模块单元

PHOENIX325实验仪已配置有20针的LCD12864接口，彩屏模块采用16位接口模式1，因此可以直接利用该接口。TFT模块原理图略——编者注。

2.2SD卡单元

SD卡与单片机之间是SPI通信方式，为保证可靠性，上拉电阻必不可少。如图2所示，SD卡片选引脚为CS、数据输入引脚为DI、时钟引脚为CLK、数据输出引脚DO经10 kΩ电阻上拉至3.3 V，并分别与单片机P23、P15、P16、P17相连。

图2 SD卡单元

2.3旋转飞梭和红外接收单元

旋转飞梭EC11共5个引脚，其中C、E接地，A、B、D相信号经10 kΩ电阻上拉至5 V，分别与单片机P10、P11、P12引脚相连，单片机依据输入信号判断旋转飞梭的状态，再向TFT及FM模块发出相应指令。

红外接收头1038的输出引脚接至单片机INT0，如图3所示。单片机的INT1引脚连接一个快捷按键，用来切换对TFT和FM的控制。

图3 旋转飞梭和红外接收电路

2.4FM单元

采用RDA5807器件的I2C总线连接模式，I2C数据线与单片机P26引脚相连，I2C时钟线与单片机P27引脚相连，RDA5807的7、8引脚接耳机或小型音箱，如图4所示。

图4 FM模块原理图

3软件编程

3.1编程重点

编程重点在于TFT彩屏设置、SD卡文件系统的管理及FM模块的驱动，其余程序（如旋转飞梭及红外遥控的解码、SPI总线驱动等）略去，读者可自行查阅相关文献。

3.2TFT彩屏设置

彩屏正常显示的前提是正确初始化，完成各寄存器的配置，程序清单略——编者注。

除此之外，还要设置扫描模式、扫描原点、扫描区域、显示分辨率等参数。运行时，为提高显示速度，可将晶振更换为24 MHz。

3.3SD卡数据读取

SD卡是照片存储的载体，其编程关键是对SD的初始化、FAT系统的初始化、块扇区的读写，以及SD卡文件结构的掌握，路径搜索文件的程序清单略——编者注。

3.4RDA5807驱动程序

3.4.1寄存器读写操作

RDA5807器件I2C接口中寄存器地址不可见，但其拥有一个固定的起始寄存器地址，写操作时为02H，读操作时为0AH。注意，RDA5807器件在单片机写入操作时会返回一个ACK信号；而在读操作时，如果RDA5807接收到单片机发出的NACK信号，则终止读操作[8]。

void RDA5807_WR(void){//连续写寄存器子函数

unsigned char i;

I2C_START();//操作开始

I2C_WR(0x20);//发命令字节，写操作bit0=0

for(i=0; i<8; i++)//寄存器连续写操作

I2C_WR(RDA_REG[i]);

I2C_STOP();//结束操作

}

void RDA5807_RD(unsigned char *reg_buf){//连续读寄存器子函数

I2C_START();//操作开始

I2C_WR(0x21);//发命令字节，读操作bit0=1

reg_buf[0] = I2C_RD(I2C_ACK);//读取寄存器0AH

reg_buf[1] = I2C_RD(I2C_ACK);//读取寄存器0BH

reg_buf[2] = I2C_RD(I2C_ACK);//读取寄存器0CH

reg_buf[3] = I2C_RD(I2C_NACK);//MCU发送NACK信号

I2C_STOP();//结束操作

}

3.4.2初始化子函数

模块初始化主要完成晶振设置、收音开关、音效模式等功能的设置，涉及到的寄存器为02H。

void RDA5807_PWR(void){//模块上电初始化子函数

delay_ms(50);//延时

RDA_REG[0] = 0x00;//设置02H寄存器，晶振32.768

RDA_REG[1] = 0x02;//置位02H寄存器bit1，软件复位

RDA5807_WR();//将设置内容写入寄存器

delay_ms(10);

RDA_REG[0] = 0xd0;//设置收音开、立体声、重低音

RDA_REG[1] = 0x01;//置位02H寄存器bit0，芯片上电

RDA5807_WR();//将设置内容写入寄存器

}

3.4.3搜台子函数

搜台使能由02H寄存器的bit8控制，搜台成功后，0AH寄存器的bit14置1，当前频点可从0AH寄存器读出，当前音量则位于05H寄存器的低4位。

void RDA5807_SEEK(void){//收音模块搜台子函数

unsigned int chan;

unsigned charreg_data[4] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00};

RDA_REG[3] &= 0xef;//复位03H寄存器bit4，禁用调谐

RDA_REG[0] |= 0x01;//置位02H寄存器bit8，使能搜台

RDA5807_WR();//将设置内容写入寄存器

while(0==(reg_data[0]&0x40)){

//搜台成功，0AH寄存器bit14置1

delay_ms(20);

RDA5807_RD(reg_data);//读取内部状态

}

chan=reg_data[0]&0x03;//取0AH寄存器bit9、bit8

chan=reg_data[1]|(chan<<8);//取0AH寄存器bit0~bit9

chan = chan << 6;//左移6位，bit6~bit15为当前频点

RDA_REG[2]=(chan>>8)&0xff;

//工作频点高8位存03H寄存器高8位

RDA_REG[3]=(chan&0xff);//工作频点低2位存03H//寄存器bit6、bit7

}

程序编译时需要在Keil μVision中设置存储器模式为“Large”。编译成功后，将生成的HEX文件烧写到STC89C51单片机中运行。

4测试

图5是设计的数码相框在PHOENIX325上应用的实况。数码相框和FM模块均可由旋转飞梭和红外遥控进行控制，控制对象通过INT1快捷键来选择，按下INT1按键，程序对数码相框进行控制，再按下INT1按键，程序对FM收音机进行控制。

图5 TFT模块在PHOENIX325实验仪上的应用

程序默认数码相框为自动运行模式，逐一显示SD卡中的照片；当转动一下旋转飞梭手轮时，程序退出自动运行进入手动模式，随着旋转飞梭的转动切换照片；按下旋转飞梭手轮，程序重新进入自动运行模式；按下遥控器数字键，程序则进入红外遥控模式。

再按一下INT1快捷键，程序转而对FM模块实施控制，此时按下旋转飞梭按钮，进入搜台模式，程序自动搜索信号最强的频点；当转动旋转飞梭手柄时，进入音量调节模式，音量随着旋转飞梭的旋转而变化；当用红外遥控时，可自由定义遥控器按键，实现选台、音量变大、音量变小、静音等功能。

结语

经过6个班次的课堂教学和实验表明，本文设计的数码相框控制方式灵活、显示效果优异、切换速度快捷；FM模块结构简单、音质出色、搜台丰富，效果令人满意。能使彩屏显示走进51单片机的课堂，具有一定的趣味性，既锻炼了动手能力，又提高了学习效果，对51单片机的教学和实验起到了较好的补充，具有较好的教学和应用前景。