基于單片機(jī)AT89C51SND1C的MP3方案設(shè)計(jì)

張 兢，李雪梅，徐 偉，侯旭東，呂和勝

（重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400050）

隨著人們對(duì)便攜式音樂播放器要求的提高，MP3播放器以其較小的體積和較好的音質(zhì)贏得了廣大音樂愛好者的青睞。起初，MP3文件只能由電腦來播放，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，促進(jìn)了MP3播放器的產(chǎn)生，隨著人們對(duì)MP3產(chǎn)品進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和更高層次的需求，MP3發(fā)生了一系列的變化，其更加小巧精致,更人機(jī)化和情趣化，個(gè)性區(qū)分也越來越強(qiáng)。還出現(xiàn)了功能的融入和產(chǎn)品的整合，總之，MP3播放器正朝著功能強(qiáng)大、外觀豐富、價(jià)格便宜的方向發(fā)展。這里提出一種基于AT89C51SND1C的MP3播放器設(shè)計(jì)方案。

1 MP3播放器簡介

MP3播放器是一種新興的數(shù)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(shù)，可以得到大約12：1壓縮的有損音樂信號(hào)。盡管MP3音樂是有損的，它在壓縮過程中對(duì)功率譜較弱的信號(hào)有所丟失，但它同CD原聲區(qū)別不大，不影響一般音樂愛好者對(duì)音樂的欣賞。MP3大大縮小了聲音文件的長度，使音樂的存儲(chǔ)和傳輸更方便。

1.1 結(jié)構(gòu)

MP3播放器一般分成3個(gè)部分：CPU、MP3硬件解碼器和存儲(chǔ)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?qū)⒑髢刹糠旨稍谝黄?，即集成硬件解碼、D/A轉(zhuǎn)換及音頻輸入。存儲(chǔ)器可以是Flash存儲(chǔ)器或硬盤。綜合考慮元器件性價(jià)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(zhuǎn)換器：CS4330；3）音頻放大器：任意雙路運(yùn)算放大器即可；4）存儲(chǔ)器：K9F1208；5）串口調(diào)試選用串口電平轉(zhuǎn)換器：MAX3232；6）MP3 屏幕顯示器：LCD1602[1]。

1.2 功能

在該硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51SND1C作為主控MCU，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：1）能對(duì)MP3或WMA格式的文件進(jìn)行解碼播放；2）可以進(jìn)行模擬音量，音效調(diào)節(jié)，聲道選擇，音量的范圍：+18～+75 dB,最小為靜音；3）可對(duì)歌曲進(jìn)行選擇，具有進(jìn)、退、快進(jìn)、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(jī)上高速下載音樂，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)語音編碼格式壓縮和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

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(chǔ)器上的MP3或者WMA等格式的數(shù)字音樂文件，送到主芯片內(nèi)部集成的解碼芯片進(jìn)行解碼，這些音樂文件經(jīng)過解碼后解碼為數(shù)字信號(hào)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)，再通過功率放大器進(jìn)行音頻放大，最后通過耳機(jī)輸出。本系統(tǒng)的一般工作過程如下：當(dāng)用戶要求播放MP3音樂時(shí)，如果在該系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器里沒有歌曲，可以通過USB接口連接PC機(jī)來下載音樂文件到存儲(chǔ)芯片中；若該系統(tǒng)中已存有MP3歌曲，用戶可根據(jù)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(shù)字信號(hào)，該信號(hào)按照用戶設(shè)定的外部D/A轉(zhuǎn)換器格式通過音頻接口輸出的外部A/D轉(zhuǎn)換器，外部A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳可接受的模擬信號(hào)并且通過功率放大器放大后送到耳機(jī)。在播放過程中可以進(jìn)行音量的增減等的選擇和控制。

圖1 工作原理流程圖Fig.1 Flow chart of operational principle

3 MP3播放器的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案可以方便地將外部的MP3格式的音樂文件傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)的存儲(chǔ)器Flash中。由圖2硬件連接框圖可以看出本系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)主要包括：1）主芯片AT89C51SND1C和存儲(chǔ)器K9F1208之間的連接設(shè)計(jì)，包括片選信號(hào)，讀寫信號(hào)以及AD信號(hào)的連接；2）主芯片和USB接口的連接設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)連接，用戶通過顯示屏幕獲取播放器的進(jìn)程信息，通過按鍵來對(duì)音樂進(jìn)行選擇和控制；4）主芯片和D/A轉(zhuǎn)換器之間，這一系統(tǒng)將該系統(tǒng)解碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳能識(shí)別的模擬信號(hào)，這一部分主要包括時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)以及反饋信號(hào)的連接；5）電源轉(zhuǎn)換部分，本系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而為系統(tǒng)提供所需的3.3 V電源；6）播放系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的切換電路設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure diagram of system

3.1.1 主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主芯片采用美國ATMEL公司的AT89C51SND1C，該芯片是一個(gè) 2.5～3.3 V低電壓、80 mW低功耗、運(yùn)算速度高、功能完善、高度集成并且低成本的單芯片數(shù)字（MPEG1，2，2.5&3）音頻解碼器。其特點(diǎn)如下：1）基于 8 位C51MCU核（最大時(shí)鐘頻率20 MHz）；2）內(nèi)部集成了單獨(dú)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(dú)立的音量控制（軟件使用31級(jí)）、重低音、中音、高音均衡控制（31級(jí)）、重低環(huán)繞聲效果、輔助數(shù)據(jù)輸出、“CRC錯(cuò)誤”和“MPEG幀同步”指示；3）有 44通用 I/O口的嵌入式 C51 Nand Flash，SSFDC，I2S，SPI和 IDE 多種擴(kuò)展功能接口容易適應(yīng)多種應(yīng)用場合Flash/CD/HDD播放器等；4）具有適應(yīng)市場上不同的D/A轉(zhuǎn)換器的可編程的音頻輸出接口，兼容 PCM 格式和 I2S格式；5）內(nèi)置 2 304 B RAM；6）64 KB Flash程序空間和 4 KB引導(dǎo)閃存（AT89C51SNDl），在系統(tǒng)編程：通過 USB，UART 接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程；7）USB1.1 控制器，“Full speed”數(shù)據(jù)傳輸；8）內(nèi)置鎖相環(huán)，提供 MP3 音頻時(shí)鐘和 USB 時(shí)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(zhuǎn)換器，8 kHz（8位真有效值），包括電池電壓監(jiān)視和軟監(jiān)控的錄音；11）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、硬件看門狗、帶有波特率發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)位、軟件可編程MCU時(shí)鐘和空閑、掉電模式。

AT89C51SNDIC內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化后實(shí)際就是64K80C51+MP3解碼器+USB，使用該芯片設(shè)計(jì)MP3播放系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如支持在系統(tǒng)編程不需要昂貴的仿真器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低；內(nèi)置2 304 B的RAM，方便用戶增加復(fù)雜的功能[2]。此外，由于該芯片內(nèi)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(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，這樣可以做到系統(tǒng)空間很小，這一點(diǎn)正好適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的纖小而功能全面的要求。

3.1.2 存儲(chǔ)部分

采用三星公司的Nand Flash K9F1208作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)本系統(tǒng)所需播放的音樂文件。主芯片AT89C51SND1C和Flash存儲(chǔ)器間的通信跟讀取一般的存儲(chǔ)器RAM、EEPROM等基本上是一致，不同的就是多了CLE和ALE這2個(gè)引腳，這是由Flash本身的特點(diǎn)所決定的。主芯片通過讀取R/B這個(gè)引腳來判斷Flash讀寫是否完成的，如果正在讀寫那么這個(gè)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(zhǔn)備）狀態(tài)，等待下次操作。ALE和CLE這兩個(gè)信號(hào)均為上升沿有效。WP引腳為寫保護(hù)，用來保護(hù)當(dāng)電源由于切換等造成不穩(wěn)定的情況下丟失數(shù)據(jù)的情況[3]。

3.1.3 接口部分

圖3 主電路圖Fig.3 Main circuit diagram of system

AT89C51SND1C內(nèi)嵌了USB1.1控制器，這樣便于與外部PC機(jī)的連接。AT89C51SND1C有特定的引腳來檢驗(yàn)USB接口是否接入U(xiǎn)SB主機(jī)設(shè)備，當(dāng)電平由低變高，表示已接入U(xiǎn)SB主機(jī)，系統(tǒng)進(jìn)入U(xiǎn)盤功能。該控制器支持全速數(shù)據(jù)傳輸，所需的48 MHz的參考時(shí)鐘是由PLL鎖相環(huán)提供給控制器的?？刂破鲀?nèi)部通過數(shù)字鎖相環(huán)DPLL生成控制器內(nèi)部所需的12 MHz的時(shí)鐘。如圖3所示，USB接口電路中除了根據(jù)USB協(xié)議的要求，要在D+、D-上串聯(lián)20 Ω電阻，并在D+上接一個(gè)1.5 KΩ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。USB插入檢測(cè)電路由一個(gè)電阻分壓組成。當(dāng)USB插入PC上的USB接口時(shí)，USB_Insert信號(hào)會(huì)輸出高電平到P3.4，此引腳檢測(cè)到此信號(hào)后，便會(huì)執(zhí)行U盤功能；否則，程序運(yùn)行時(shí)會(huì)執(zhí)行MP3功能。P3.5輸入低電平時(shí)，VD1會(huì)點(diǎn)亮，這個(gè)二極管用于表示USB的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，當(dāng)USB的端點(diǎn)有數(shù)據(jù)交換時(shí)，此燈會(huì)閃爍。

3.1.4 D/A轉(zhuǎn)換部分

當(dāng)MP3或者WMA等格式的音樂文件經(jīng)過主芯片內(nèi)部解碼后為數(shù)字信號(hào)，而人耳所能識(shí)別的信號(hào)卻為模擬信號(hào)，系統(tǒng)利用CS4330進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AT89C51SND1C從Flash中讀取數(shù)據(jù)之后，將MP3格式的音樂在其內(nèi)部進(jìn)行硬件解碼為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，之后通過D/A轉(zhuǎn)換器CS4330來對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成人耳可以接受的音樂。主芯片AT89C51SND1C內(nèi)部有一個(gè)音頻輸出接口，支持不同格式的音頻數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器相連。CS4330在改善音頻質(zhì)量，降低信噪比等方面都很好。同時(shí)AT89C51SND1C內(nèi)部集成了MP3硬件解碼器，系統(tǒng)不需要外接額外的解碼器。解碼后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后還原為模擬音頻信號(hào)。

3.1.5 控制部分

播控系統(tǒng)的設(shè)置通過按鍵來選擇，AT89C51SND1C提供4個(gè)按鍵輸入口，連接USB前，短接了DFU跳線，運(yùn)行Boot Loader，進(jìn)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(jìn)入U(xiǎn)盤功能。使用電池供電時(shí)，不按任何鍵，則進(jìn)入MP3模式。MP3鍵盤由4個(gè)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；Play/Pause，播放/暫停。用戶在使用播放器時(shí)可以方便地根據(jù)自己的喜好來選擇歌曲播放或暫停。操作狀態(tài)和設(shè)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(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，正好適應(yīng)MP3播放器的需求。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MP3播放器的軟件設(shè)計(jì)由2大部分組成：MP3播放功能模塊和USB通信功能模塊[4]。

3.2.1 MP3播放程序設(shè)計(jì)

MP3播放程序設(shè)計(jì)要與鍵盤配合起來使用。在主程序中，如果已經(jīng)處于播放狀態(tài)，則調(diào)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(huì)一直向CPU請(qǐng)求數(shù)據(jù)，直至歌曲結(jié)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(shù)將會(huì)提前結(jié)束，進(jìn)入下一首歌曲的播放。其播放流程如圖4所示。

圖4 播放程序流程圖Fig.4 Flow chart of play program

3.2.2 USB通信功能程序設(shè)計(jì)

USB通信功能模塊用于對(duì)Flash存儲(chǔ)器內(nèi)的文件進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)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(duì)其進(jìn)行初始化，然后在主程序中循環(huán)讀取USB端點(diǎn)中斷寄存器，當(dāng)查詢到有中斷產(chǎn)生時(shí)則進(jìn)入到相應(yīng)的中斷處理程序，開始設(shè)備配置和數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 USB通信功能程序流程圖Fig.5 Flow chart of USB communication function program

4 結(jié)束語

本文提出基于AT89C51SND1C單片機(jī)的MP3播放器的設(shè)計(jì)方法，此MP3播放器系統(tǒng)既有播放歌曲的功能又有U盤功能。兩種功能的轉(zhuǎn)換用USB接口檢測(cè)電路來控制。當(dāng)MP3播放器上的USB設(shè)備插入PC機(jī)上的USB接口進(jìn)行文件下載時(shí)執(zhí)行U盤功能，否則程序運(yùn)行執(zhí)行MP3功能。此設(shè)計(jì)低功耗，易擴(kuò)展，性價(jià)比高，與同類產(chǎn)品相比，有很強(qiáng)的市場競爭能力和實(shí)用價(jià)值。

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