帶U盤功能的MP3播放器設計方案 - 全文

　隨著人們對MP3產品進一步的認識和更高層次的需求，MP3發生了一系列的變化，其更加小巧精致，更人機化和情趣化，個性區分也越來越強。MP3播放器正朝著功能強大、外觀豐富、價格便宜的方向發展。這里提出一種基于AT89C51SND1C的MP3播放器設計方案。當MP3播放器上的USB設備插入PC機上的USB接口進行文件下載時執行U盤功能，否則程序運行執行MP3功能。

　　1 MP3播放器簡介

　　MP3播放器是一種新興的數字音樂播放器，播放MP3、WMA等格式的文件。通過用MPEG-1 Layer 3編碼技術，可以得到大約12：1壓縮的有損音樂信號。盡管MP3音樂是有損的，它在壓縮過程中對功率譜較弱的信號有所丟失，但它同CD原聲區別不大，不影響一般音樂愛好者對音樂的欣賞。MP3大大縮小了聲音文件的長度，使音樂的存儲和傳輸更方便。

　　1.1 結構

　　MP3播放器一般分成3個部分：CPU、MP3硬件解碼器存儲器。其中可以將前兩部分集成在一起，即帶MP3硬件解碼器的CPU;或將后兩部分集成在一起，即集成硬件解碼、D/A轉換及音頻輸入。存儲器可以是Flash存儲器或硬盤。綜合考慮元器件性價比等各方面的因素，選定方案為：1)CPU+MP3解碼器+USB控制器：AT89C51SND1C;2)D/A轉換器：CS4330;3)音頻放大器：任意雙路運算放大器即可;4)存儲器：K9F120 8;5)串口調試選用串口電平轉換器：MAX3232;6)MP3屏幕顯示器：LCD1602。

　　1.2 功能

　　在該硬件系統設計中，采用美國Atmel公司生產的AT89C51SND1C作為主控MCU，可以實現如下功能：1)能對MP3或WMA格式的文件進行解碼播放;2)可以進行模擬音量，音效調節，聲道選擇，音量的范圍：+18～+75 dB，最小為靜音;3)可對歌曲進行選擇，具有進、退、快進、快退功能及指定播放第幾首歌曲的功能;4)通過USB接口，可直接從PC機上高速下載音樂，應用標準語音編碼格式壓縮和存儲數據。

　　2 MP3播放器工作原理

　　MP3播放器的基本工作原理如圖1所示。通過USB接口把Flash存儲器上的MP3或者WMA等格式的數字音樂文件，送到主芯片內部集成的解碼芯片進行解碼，這些音樂文件經過解碼后解碼為數字信號，然后通過A/D轉換將數字信號轉換為模擬音頻信號，再通過功率放大器進行音頻放大，最后通過耳機輸出。本系統的一般工作過程如下：當用戶要求播放MP3音樂時，如果在該系統Flash存儲器里沒有歌曲，可以通過USB接口連接PC機來下載音樂文件到存儲芯片中;若該系統中已存有MP3歌曲，用戶可根據顯示屏上的文件名選擇或者順序選擇MP3文件，選擇文件后主芯片將所選的音頻文件從Flash閃存中讀到主芯片集成的MP3解碼器解碼后變成數字信號，該信號按照用戶設定的外部D/A轉換器格式通過音頻接口輸出的外部A/D轉換器，外部A/D轉換器將數字信號轉換為人耳可接受的模擬信號并且通過功率放大器放大后送到耳機。在播放過程中可以進行音量的增減等的選擇和控制。

　　3 MP3播放器的設計

　　3.1 硬件設計

　　該設計方案可以方便地將外部的MP3格式的音樂文件傳輸到本系統的存儲器Flash中。由圖2硬件連接框圖可以看出本系統的具體硬件設計主要包括：1)主芯片AT89C51SND1C和存儲器K9F1208之間的連接設計，包括片選信號，讀寫信號以及AD信號的連接;2)主芯片和USB接口的連接設計，此部分主要用于MP3文件的傳輸和固件下載;3)主芯片和按鍵以及LCD之間的設計連接，用戶通過顯示屏幕獲取播放器的進程信息，通過按鍵來對音樂進行選擇和控制;4)主芯片和D/A轉換器之間，這一系統將該系統解碼后的數字信號轉換為人耳能識別的模擬信號，這一部分主要包括時鐘信號、數據信號以及反饋信號的連接;5)電源轉換部分，本系統內部使用的電源一般為3.3 V，而USB接口以及電池的電源都需要DC-DC部分來進行轉換，從而為系統提供所需的3.3 V電源;6)播放系統和存儲系統的切換電路設計。

　　3.1.1 主電路設計

　　系統的主芯片采用美國ATMEL公司的AT89C51SND1C，該芯片是一個2.5～3.3 V低電壓、80 mW低功耗、運算速度高、功能完善、高度集成并且低成本的單芯片數字(MPEG1，2，2.5&3)音頻解碼器。其特點如下：1)基于8位C51MCU核(最大時鐘頻率20 MHz);2)內部集成了單獨的MP3解碼器，而且支持48，44.1，32，24，22.05，16 kHz采樣頻率，支持左右聲道獨立的音量控制(軟件使用31級)、重低音、中音、高音均衡控制(31級)、重低環繞聲效果、輔助數據輸出、“CRC錯誤”和“MPEG幀同步”指示;3)有44通用I/O口的嵌入式C51 Nand Flash，SSF-DC，I2S，SPI和IDE多種擴展功能接口容易適應多種應用場合Flash/CD/HDD播放器等;4)具有適應市場上不同的D/A轉換器的可編程的音頻輸出接口，兼容PCM格式和I2S格式;5)內置2 304 B RAM;6)64KB Flash程序空間和4 KB引導閃存(AT89C51SND1)，在系統編程：通過USB，UART接口進行在系統編程;7)USB1.1控制器，“Full speed”數據傳輸;8)內置鎖相環，提供MP3音頻時鐘和USB時鐘;9)兼容MultiMedia Card(MMC)卡接口、Atmel Data Flash SPI接口、IDE/ATAPI(硬盤)接口;10)通道10位A/D轉換器，8 kHz(8位真有效值)，包括電池電壓監視和軟監控的錄音;11)兩個標準的16位的定時/計數器、硬件看門狗、帶有波特率發生器的標準通用異步串口、主從I2C控制器、主從SPI控制器;12)電源管理模塊。包括上電復位、軟件可編程MCU時鐘和空閑、掉電模式。

　　AT89C51SND1C內部結構簡化后實際就是64K80C51+MP3解碼器+USB，使用該芯片設計MP3播放系統具有很多優點，如支持在系統編程不需要昂貴的仿真器，系統設計成本降低;內置2 304 B的RAM，方便用戶增加復雜的功能。此外，由于該芯片內部集成了大量的接口，所以只需要很少的外圍器件如DC-DC，音頻D/A轉換器和存儲器就可以實現系統的要求，這樣可以做到系統空間很小，這一點正好適應現代系統設計的纖小而功能全面的要求。

　　3.1.2 存儲部分

　　采用三星公司的Nand Flash K9F1208作為系統的數據存儲器，用來存儲本系統所需播放的音樂文件。主芯片AT89C51SND1C和Flash存儲器間的通信跟讀取一般的存儲器RAM、EEPROM等基本上是一致，不同的就是多了CLE和ALE這2個引腳，這是由Flash本身的特點所決定的。主芯片通過讀取R/B這個引腳來判斷Flash讀寫是否完成的，如果正在讀寫那么這個引腳就為低電平表示正忙，如果讀寫完成，該引腳電平變高，處于READY(準備)狀態，等待下次操作。ALE和CLE這兩個信號均為上升沿有效。WP引腳為寫保護，用來保護當電源由于切換等造成不穩定的情況下丟失數據的情況。

　　3.1.3 接口部分

　　AT89C51SND1C內嵌了USB1.1控制器，這樣便于與外部PC機的連接。AT89C51SND1C有特定的引腳來檢驗USB接口是否接入USB主機設備，當電平由低變高，表示已接入USB主機，系統進入U盤功能。該控制器支持全速數據傳輸，所需的48 MHz的參考時鐘是由PLL鎖相環提供給控制器的。控制器內部通過數字鎖相環DPLL生成控制器內部所需的12 MHz的時鐘。如圖3所示，USB接口電路中除了根據USB協議的要求，要在D+、D-上串聯20 Ω電阻，并在D+上接一個1.5 KΩ的上拉電阻，還增加了一個USB插入的檢測電路以及USB工作指示燈。USB插入檢測電路由一個電阻分壓組成。當USB插入PC上的USB接口時，USB_Insert信號會輸出高電平到P3.4，此引腳檢測到此信號后，便會執行U盤功能;否則，程序運行時會執行MP3功能。P3.5輸入低電平時，VD1會點亮，這個二極管用于表示USB的數據交換狀態，當USB的端點有數據交換時，此燈會閃爍。

　　3.1.4 D/A轉換部分

　　當MP3或者WMA等格式的音樂文件經過主芯片內部解碼后為數字信號，而人耳所能識別的信號卻為模擬信號，系統利用CS4330進行轉換。AT89C51SND1C從Flash中讀取數據之后，將MP3格式的音樂在其內部進行硬件解碼為二進制數據，之后通過D/A轉換器CS4330來對這些數據進行數模轉換，轉換成人耳可以接受的音樂。主芯片AT89C51SND1C內部有一個音頻輸出接口，支持不同格式的音頻數據流格式，如PCM格式和I2S格式，該接口可以跟幾乎所有的通用音頻D/A轉換器相連。CS4330在改善音頻質量，降低信噪比等方面都很好。同時AT89C51SND1C內部集成了MP3硬件解碼器，系統不需要外接額外的解碼器。解碼后的數字信號經過D/A轉換后還原為模擬音頻信號。

　　3.1.5 控制部分

　　播控系統的設置通過按鍵來選擇，AT89C51SND1C提供4個按鍵輸入口，連接USB前，短接了DFU跳線，運行Boot Loader，進入到固件下載;接到USB前，按下了FORMAT，則格式化U盤;連接到USB，不按任何鍵，則進入U盤功能。使用電池供電時，不按任何鍵，則進入MP3模式。MP3鍵盤由4個鍵組成，分別為Play/Pause鍵、Preview鍵、Next鍵和Func鍵：Func，功能切換;Next，向后;Previous，向前;Pla-y/Pause，播放/暫停。用戶在使用播放器時可以方便地根據自己的喜好來選擇歌曲播放或暫停。操作狀態和設置信息通過LCD1602來顯示。LCD采用液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形。液晶顯示具有厚度薄、適用于大規模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點，正好適應MP3播放器的需求。

　　3.2 系統軟件設計

　　MP3播放器的軟件設計由2大部分組成：MP3播放功能模塊和USB通信功能模塊。

　　3.2.1 MP3播放程序設計

　　MP3播放程序設計要與鍵盤配合起來使用。在主程序中，如果已經處于播放狀態，則調用Play MP3程序播放歌曲，直至播放到最后一首。在Play MP3程序里面，MP3解碼器一旦開始工作以后，就會一直向CPU請求數據，直至歌曲結束。如果用戶想切換歌曲，則可直接按暫停鍵，這樣此程序函數將會提前結束，進入下一首歌曲的播放。其播放流程如圖4所示。

　　3.2.2 USB通信功能程序設計

　　USB通信功能模塊用于對Flash存儲器內的文件進行管理，實現MP3文件的下載，由于AT89C51SND1C沒有外部中斷引腳，USB中斷沒有中斷向量地址入口，USB驅動程序采用中斷查詢工作方式。其流程如圖5所示，在USB控制器使用前，首先對其進行初始化，然后在主程序中循環讀取USB端點中斷寄存器，當查詢到有中斷產生時則進入到相應的中斷處理程序，開始設備配置和數據傳輸。