基于ＡＴ８９Ｃ５１ＳＮＤ１Ｃ的ｍｐ３播放器的設(shè)計(jì)

馬　喆

摘要：本設(shè)計(jì)采用了以AT89C51SND1C為主控芯片，同時(shí)利用其MP3解碼模塊和USB控制模塊，加上外接的Flash存儲(chǔ)器，在實(shí)現(xiàn)U盤的基礎(chǔ)上完成MP3播放器的功能。本論文研究了基于Atmel公司的AT89C51SND1C的MP3播放器的實(shí)現(xiàn)方法，給出了相應(yīng)的電路原理圖，以及AT89C51SND1C中提供的MP3解碼模塊和音頻輸出接口的控制。同時(shí)對(duì)Flash存儲(chǔ)的相關(guān)內(nèi)容也做了相應(yīng)的介紹。

關(guān)鍵詞：AT89C51SND1C MP3解碼 音頻接口 FAT文件系統(tǒng) SD卡存儲(chǔ)

1 播放器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 任務(wù)要求 利用AT89C51SND1C單片機(jī)提供的MP3解碼模塊對(duì)讀取的MP3文件進(jìn)行解碼并實(shí)現(xiàn)音頻播放。

1.2 硬件組成 整個(gè)硬件系統(tǒng)根據(jù)功能將其分為幾個(gè)部分：電源部分、控制器部分、存儲(chǔ)器部分、音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、音頻放大部分、ISP及串口調(diào)試部分、人機(jī)接口部分。

其中電源模塊實(shí)現(xiàn)給整個(gè)硬件系統(tǒng)提供電壓值為3.3V的功能，它的供電情況有兩種，一種是PC機(jī)供電方式，需要將PC機(jī)的5V電壓轉(zhuǎn)化成需要電壓值，另一種是電池供電，以實(shí)現(xiàn)便攜式要求?？刂破髂K是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是通過(guò)USB接口完成與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，并存儲(chǔ)的MP3格式文件。存儲(chǔ)器選用了32M的FLASH芯片用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這部分電路完成數(shù)據(jù)的保存。音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的核心器件是CS4330，它的功能是將解碼器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。音頻放大部分電路用到了雙通道運(yùn)算放大器LMV358芯片，它配合一些外圍電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬的音頻信號(hào)放大功能。ISP及串口調(diào)試部分電路的核心器件是MAX3232，它為RS-232收發(fā)器，簡(jiǎn)單易用，單+5V電源供電，僅需外接幾個(gè)電容即可完成從TTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)編程是通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)的。

1.3 總體設(shè)計(jì)流程圖 MP3播放系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)按照模塊可以劃分為以下三個(gè)部分。

U盤部分：當(dāng)USB插入PC機(jī)上的USB接口時(shí)，USB-insert信號(hào)會(huì)輸出高電平到P3.4口，此引腳檢測(cè)到此信號(hào)后，便會(huì)執(zhí)行U 盤部分程序，完成MP3與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。該部分程序執(zhí)行的過(guò)程分為單片機(jī)硬件寄存器的配置、Bulk-only傳輸模式的建立以及對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的讀寫。MP3部分：當(dāng)無(wú)USB插入檢測(cè)信號(hào)發(fā)生時(shí)，單片機(jī)將執(zhí)行MP3部分程序。其過(guò)程可以分為：首先按照FAT16協(xié)議讀取FLASH數(shù)據(jù)，并將MP3格式的文件記錄。然后解析MP3楨頭信息，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置相關(guān)硬件寄存器的配置，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)送單片機(jī)硬件解碼模塊。串口調(diào)試程序：將MCU中運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)或狀態(tài)通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)的串口上，然后借助一些軟件在PC顯示器中顯示出來(lái)。該部分程序只需設(shè)置串口通信的波特率參數(shù)，利用串口通信中斷很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。串口調(diào)試程序作為子程序供程序運(yùn)行過(guò)程中調(diào)用，以判斷程序運(yùn)行的狀態(tài)和獲取一些重要數(shù)據(jù)。其他部分：包括提供人機(jī)接口的鍵盤掃描驅(qū)動(dòng)、LED顯示驅(qū)動(dòng)以及其它部分。

右面是整個(gè)軟件系統(tǒng)的流程圖。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)

2.1 MP3文件格式概述 MP3文件是由幀(frame)構(gòu)成的，幀是MP3文件最小的組成單位。MP3的全稱應(yīng)為MPEG1 Layer-3 音頻文件，MPEG(Moving Picture Experts Group)在漢語(yǔ)中譯為活動(dòng)圖像專家組，特指活動(dòng)影音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，MPEG音頻文件是MPEG1標(biāo)準(zhǔn)中的聲音部分，也叫MPEG音頻層，它根據(jù)壓縮質(zhì)量和編碼復(fù)雜程度劃分為三層，即Layer-1、Layer2、Layer3，且分別對(duì)應(yīng)MP1、MP2、MP3這三種聲音文件，并根據(jù)不同的用途，使用不同層次的編碼。MPEG音頻編碼的層次越高，編碼器越復(fù)雜，壓縮率也越高，MP1和MP2的壓縮率分別為4：1和6：1-8：1，而MP3的壓縮率則高達(dá)10：1-12：1，也就是說(shuō)，一分鐘CD音質(zhì)音樂(lè)，未經(jīng)壓縮需要10MB的存儲(chǔ)空間，而經(jīng)過(guò)MP3壓縮編碼后只有1MB左右。不過(guò)MP3對(duì)音頻信號(hào)采用的是有損壓縮方式，為了降低聲音失真度，MP3采取了“感官編碼技術(shù)”，即編碼時(shí)先對(duì)音頻文件進(jìn)行頻譜分析，然后用過(guò)濾器濾掉噪音電平，接著通過(guò)量化的方式將剩下的每一位打散排列，最后形成具有較高壓縮比的MP3文件，并使壓縮后的文件在回放時(shí)能夠達(dá)到比較接近原音源的聲音效果

3 系統(tǒng)硬件組成及電路設(shè)計(jì)

3.1 電源部分 AT89C51SND1C的標(biāo)準(zhǔn)電壓是＋3V，±10％，工作電流是25mA，故在整個(gè)系統(tǒng)中采用3.3V供電。系統(tǒng)電源在完成U盤功能時(shí)通過(guò)USB接口取電，在便攜式使用時(shí)可以來(lái)自干電池，所以系統(tǒng)電源由兩個(gè)部分組成：一個(gè)部分提供從USB接口的5V到3.3V的DC-DC的降壓轉(zhuǎn)化；另外一個(gè)部分提供從1.5V干電池到3.3V的DC-DC的升壓轉(zhuǎn)化。

降壓部分：本設(shè)計(jì)選擇了普遍使用的AS1117的電源方案。其中圖3.1是利用AS1117進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的電路圖。如圖所示，從USB接口的5V電源通過(guò)AS1117芯片轉(zhuǎn)化為3.3V電壓，給整個(gè)系統(tǒng)供電。周圍的電容的作用時(shí)濾除干擾，保持系統(tǒng)電源穩(wěn)定可靠。

升壓部分：本設(shè)計(jì)采用 MAX1677電源電路方案，它具備雙路輸出：一路升壓電路作為系統(tǒng)電源，另一路提供LCD電壓。最低可在0.7V的輸入電壓下工作，適用于1—3節(jié)堿性電池Nicd/NiMH 電池或一節(jié)Li+電池供電的應(yīng)用。MAX1677典型電路無(wú)需外部場(chǎng)效應(yīng)管，自身耗電僅為20μA ，主升壓電路采用同步整流技術(shù)，電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。MAX1677允許輸入的電壓范圍為0.7～5.5V； 主輸出2.5～5.5V（可調(diào)電壓輸出），或工廠預(yù)設(shè)值3.3V輸出，最大輸出電流可達(dá)350mA； 第二輸出可為L(zhǎng)CD對(duì)比度調(diào)節(jié)提供＋28～－28V范圍內(nèi)的電壓；電源效率可達(dá)95％；16腳QSOP封裝，體積很小，不需要外部場(chǎng)效應(yīng)管。由于MAX1677輸入電壓范圍（0.7～5.5V）較大，可以依據(jù)不同系統(tǒng)提供的安裝電池空間和所需的不同電池電壓與容量，靈活地選擇電池的種類，比如1～3節(jié)普通干電池、堿性電池、鎳鎘充電電池或1節(jié)鋰電池均可以使系統(tǒng)正常工作。MAX1677電源電路的典型連線如圖3.2，在輸入端加上1.5V電壓，第一路輸出電壓為3.3v，提供系統(tǒng)電源。第二路輸出作為L(zhǎng)CD顯示器的電源，當(dāng)MAX1677第六根引腳（LCD選通端，接在CPU的28腳，受控于單片機(jī)）置位時(shí)，LCD電源有輸出，并且輸出電壓可以通過(guò)10K電位器調(diào)節(jié)。圖3-2 是MAX1677外圍典型接線電路。

3.2 控制部分 本設(shè)計(jì)選用的控制器是美國(guó)ATMLE公司針對(duì)MP3解決方案新生產(chǎn)的一款芯片AT89C51SND1C，它具有C51內(nèi)核，64K字節(jié)的閃存程序空間和4K字節(jié)引導(dǎo)閃存以及2304字節(jié)的ROM存儲(chǔ)器，利用微處理器核對(duì)數(shù)據(jù)流和MP3解碼器進(jìn)行控制，并允許通過(guò)嵌入的4K字節(jié)閃存引導(dǎo)區(qū)進(jìn)行在系統(tǒng)編程。AT89C51SND1C在原有的89C51的基礎(chǔ)上增加了MP3解碼模塊，I2C/PCM音頻輸出模塊，串并行接口模塊（USB，2線，SPI，IDE），以及其他的外存儲(chǔ)器接口模塊。適用于MP3播放器，PDA，攝像機(jī)，帶MP3手記，汽車音響，家庭影院等嵌入式系統(tǒng)。以下參照該芯片的技術(shù)文檔，對(duì)其主要功能作簡(jiǎn)單介紹。

AT89C51SND1的主要特點(diǎn)是其內(nèi)部嵌入一個(gè)MP3硬件解碼器，它支持48，44.1，32，24，22.05，16KHz采樣頻率，并且具有左右聲道獨(dú)立的音量控制和重低音、中音、高音均衡控制功能。另外，AT89C51SND1內(nèi)部有一個(gè)USB Rev1.1控制器，可以完成USB接口的數(shù)據(jù)通信。

3.3 存儲(chǔ)器部分 在存儲(chǔ)器選用上，根據(jù)AT89C51SND1C的技術(shù)手冊(cè)所提供的可以選用Flash芯片、ATA接口的硬盤或CDROM和MMC卡（MultiMedia Card）作為海量存儲(chǔ)器使用。本設(shè)計(jì)選擇了三星公司的NAND型Flash芯片。

Samsung公司的K9F5608U芯片的外圍電路圖見3-4所示。

3.4 音頻輸出部分 音頻部分是整個(gè)系統(tǒng)中最為重要的一部分，可將其劃分成兩個(gè)部分，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換部分和音頻信號(hào)放大部分。在把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)的過(guò)程中，容易產(chǎn)生噪聲，這個(gè)關(guān)系到MP3播放器的聲音效果的好壞。通過(guò)對(duì)市面上的支持I2S 接口的DAC的查詢，本系統(tǒng)選擇的是CS4330芯片。CS4330能夠兼容48KHz、44.1KHz和32KHz的音頻流。聲音數(shù)據(jù)通過(guò)串行輸入引腳SDATA輸入。左右輸入時(shí)鐘LRCK決定了左右聲道，而在串行輸入時(shí)鐘SCLK的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)被送入CS4330的數(shù)據(jù)緩存中，而主時(shí)鐘決定了數(shù)據(jù)濾波器的使用。音頻放大電路主要由低功耗雙通道運(yùn)算放大器LMV358芯片及其外圍電路組成。圖3-6是CS4330外圍連接電路和雙通道功率發(fā)大LMV358的外圍電路。

3.5 USB及串口部分 USB接口電路中，除了根據(jù)USB協(xié)議的要求，要求在D+、D-上串連20歐的電阻，并在D+上接一個(gè)1.5K的上拉電阻。還增加了一個(gè)USB插入的檢測(cè)電路以及USB工作指示燈。如圖3-7所示。

串口是MCU中基本的接口之一，而目前PC機(jī)上串口也是基本的配置?？梢詫CU中運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)或狀態(tài)通過(guò)串口發(fā)送到PC機(jī)的串口上，然后借助一些軟件在PC顯示器中顯示出來(lái)。這樣的軟件有串口調(diào)試助手、串口精靈等。還可以使用Windows中自帶的超級(jí)終端來(lái)顯示。為了使用MCU上的串口，需要對(duì)MCU的串口編程。又因?yàn)镸CU上的TTL電平，而計(jì)算上的串口對(duì)這一電平并不兼容，所以在硬件上還需要有專門的電平轉(zhuǎn)換芯片，本設(shè)計(jì)使用MAX3232。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于AT89C51SND1C單片機(jī)實(shí)現(xiàn)媒體播放器（MP3）的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件編程。在硬件設(shè)計(jì)中，要用到軟件Protel來(lái)繪制電路圖和生成PCB電路圖。主要通過(guò)C語(yǔ)言編寫源程序。該系統(tǒng)較完整的體現(xiàn)了MP3便攜的特點(diǎn)，從硬件方面較全面地實(shí)現(xiàn)了MP3的功能包括芯片的部分外圍擴(kuò)展功能。

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