嵌入式MP3播放器設(shè)計(jì)

PAGEPAGE5基于AT89C51SND1C的MP3播放器設(shè)計(jì)概述MP3作為高質(zhì)量音樂(lè)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，正進(jìn)入越來(lái)越多人的生活，給數(shù)字音頻工業(yè)帶來(lái)強(qiáng)勁的沖擊。MP3技術(shù)音樂(lè)數(shù)據(jù)壓縮比較大，回放質(zhì)量較高。如將CD格式的音樂(lè)數(shù)據(jù)壓縮成MP3格式，音效相差無(wú)幾，但大小至少可壓縮12倍。由于MP3音樂(lè)的較小數(shù)據(jù)量和近乎完美的播放效果，使MP3格式的音樂(lè)文件在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。1995年，采用MP3格式的音樂(lè)開(kāi)始在網(wǎng)上傳播時(shí)，主要是用類(lèi)似Winamp的播放軟件進(jìn)行播放,使MP3音樂(lè)無(wú)法脫離計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放,給欣賞音樂(lè)帶來(lái)不便。1997－1998年間，韓國(guó)Saehan公司制造了世界上第一臺(tái)便攜式MP3播放器MP-F20(MPMan系列MP3播放器的第一款商業(yè)產(chǎn)品)。1998年8月，DiamondMultimedia公司在美國(guó)推出了Rio系列MP3隨身聽(tīng),正式啟動(dòng)了MP3播放器市場(chǎng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)MP3播放器的要求也越來(lái)越高，因而制造商從各個(gè)方面提升其附加功能，擴(kuò)大MP3播放器的適用領(lǐng)域。隨著MP3播放器的出現(xiàn)和市場(chǎng)的快速發(fā)展為微控制器(MCU)甚至MCU/DSP混合器件應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇。許多半導(dǎo)體公司提供各種供MP3播放器使用的器件，包括解碼器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)以及MCU/DSP混合器件等,這就為MP3播放器的選型、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)提供了多種方案。隨著MP3播放器的激烈競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的發(fā)展以及技術(shù)的不斷發(fā)展，一些芯片廠商已經(jīng)推出了集成MP3解碼及其它附加功能的微控制器MP3播放芯片，使MP3播放器向集成化方向發(fā)展。另外MP3播放器的附加功能也越來(lái)月具有吸引力，如將MP3中的儲(chǔ)存器開(kāi)辟為移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，增加了MP3錄音、調(diào)頻收音機(jī)、以及多種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境感覺(jué)功能的播放模式，可播放多種數(shù)字音樂(lè)格式(如WMA、AAC等)，集成時(shí)鐘日歷，同步顯示中文歌詞等等。系統(tǒng)原理市場(chǎng)上流行的MP3播放器通常是兼具播放器和U盤(pán)功能的嵌入式電子產(chǎn)品,除了具有方便的播放控制功能之外,還支持USB通訊協(xié)議,可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,有些LCD顯示,或具有錄音功能?；谝陨系墓δ芊治?本文要涉及的MP3設(shè)計(jì)方案是一個(gè)僅具備以上幾種基本功能的嵌入式系統(tǒng)。一個(gè)典型的MP3播放器的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其組成部分包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、LCD顯示器、按鍵、MP3解碼器、D/A轉(zhuǎn)換、音頻放大、大容量移動(dòng)存儲(chǔ)器、USB接口和聲音輸出等等。LCD顯示器LCD顯示器按鍵單片機(jī)(MP3解碼、D/A轉(zhuǎn)換）)大容量移動(dòng)存儲(chǔ)器USB音頻放大聲音輸出圖2.1MP3播放器主要結(jié)構(gòu)示意圖MCU(單片機(jī))主要負(fù)責(zé)控制USB接口芯片與計(jì)算機(jī)通訊從計(jì)算機(jī)商下載MP3文件、通過(guò)總線(xiàn)控制解碼芯片工作，以及完成數(shù)據(jù)從源到解碼器的傳輸；大容量移動(dòng)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)MP3文件，播放時(shí)MP3文件從存儲(chǔ)器傳送到解碼器解碼，這些控制都是由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。解碼后的數(shù)字音頻信號(hào)通過(guò)內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，然后通過(guò)音頻放大電路，最后輸出。LCD顯示器同步顯示正在播放的MP3文件的狀態(tài)，按鍵控制MP3播放器的播放、停止、快進(jìn)和倒帶以及其它功能的選擇。在具有U盤(pán)功能的MP3播放器中,U盤(pán)主要由CPU、USBDevice接口芯片和存儲(chǔ)器三部分構(gòu)成。其中CPU和USBDevice接口往往AT89C51SND1C芯片已經(jīng)提供了完善的鍵盤(pán)接口，引腳為KIN0、KIN1、KIN2、KIN3。在這里我直接借用它的鍵盤(pán)接口，直接將開(kāi)關(guān)按鍵接入到這四個(gè)引腳，分別作為STOP、FFW、REW、PLAY/PAUSE按鍵。D/A轉(zhuǎn)換和音頻處理設(shè)計(jì)由于AT89C51SND1C中只帶有MP3解碼模塊，所以需要對(duì)MP3解碼出來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)伴音處理芯片TDA7050,輸出到耳機(jī)。D/A轉(zhuǎn)換芯片我選用的是CS4330。這個(gè)芯片工作電壓為3V或者5V，所以電源提供的3.3V電壓并不能完全滿(mǎn)足它的要求，這里我加上兩個(gè)電容C37(0.1uF)和C38(10uF)進(jìn)行處理，給CS4330提供穩(wěn)定的電壓。AT89C51SND1C的DOUT引腳直接接到CS4330芯片的SDATA引腳。TDA7050芯片進(jìn)行伴音處理，它的最大電壓為6V，正常輸入電壓為3V，這里分別將CS4330的AOL,AOR兩個(gè)引腳輸入接到芯片的IN1-和IN2-兩個(gè)引腳，芯片處理后，輸出OUT1和OUT2為左右聲道的聲音。電路原理圖如下所示：圖3.1D/A轉(zhuǎn)換和音頻處理電路圖電源設(shè)計(jì)使用Max1677芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,將兩節(jié)七號(hào)干電池電壓升至3.3V。連接USB口處:用AS117把5V電壓降至3.3V,并保證3.3V電壓的輸出。電源設(shè)計(jì)圖如下所示：圖3.2電源設(shè)計(jì)圖中斷分配AT89C51SND1C芯片內(nèi)部集成了很多功能部件，也提供了完善的中斷機(jī)制，表3.2是中斷系統(tǒng)信號(hào)表，表3.3是本系統(tǒng)用到的中斷的中斷優(yōu)先級(jí)和中斷向量表。表3.3中斷系統(tǒng)信號(hào)信號(hào)名稱(chēng)描述選擇引腳INT0外部中斷0P3.2INT1外部中斷1P3.3KIN3:0鍵盤(pán)中斷輸入P1.3:0表3.4中斷優(yōu)先級(jí)和中斷向量表中斷名優(yōu)先級(jí)中斷向量INT01（最高級(jí)）C:0003hTimer02C:000BhINT13C:0013hTimer14C:001Bh串口5C:0023hMP3解碼器6C:002Bh音頻接口7C:0033h雙線(xiàn)控制器9C:0043hA/D轉(zhuǎn)換11C:0053h鍵盤(pán)12C:005BhUSB14C:006BhRS232接口電路AT89C51SND1C芯片內(nèi)部集成了UART,在這里我選用了MAX232CWE芯片。數(shù)據(jù)由PC機(jī)A的串口RS232發(fā)出，經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換后，送入芯片。在芯片中，先由擴(kuò)展串口UART接收數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)嵌8051的控制處理。圖3.3RS232電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要使用51系統(tǒng)單片機(jī)中所使用的C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)MP3源程序設(shè)計(jì)。沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。可以利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件Keil軟件方便開(kāi)發(fā)mp3播放器，無(wú)需特殊軟件平臺(tái)。具有U盤(pán)功能的MP3程序由兩大部分組成:MP3播放功能和USB通訊功能。(1)MP3播放功能MP3播放功能模塊的工作分為兩個(gè)部分:第一部分是循環(huán)播放MP3歌曲,該功能需要首先做一些初始化工作,MP3解碼器一旦開(kāi)始工作,就會(huì)一直向CPU請(qǐng)求數(shù)據(jù),直至歌曲結(jié)束,只有通過(guò)鍵盤(pán)操作才會(huì)使該功能提前結(jié)束。因?yàn)镸P3文件的數(shù)據(jù)量較大,在flash存儲(chǔ)器內(nèi)是以頁(yè)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的,所以MP3的播放程序初始化就是要把該文件的首地址和頁(yè)數(shù)先讀出到CPU中,然后CPU可以根據(jù)如上數(shù)據(jù)進(jìn)行取數(shù)據(jù)工作。第二部分則一直在等待中斷發(fā)生,該程序是與鍵盤(pán)結(jié)合起來(lái)的,主要用于使用者對(duì)播放過(guò)程的控制。鍵盤(pán)操作對(duì)MP3播放過(guò)程的控制還包括后退、躍進(jìn)、跳到下一首、音量控制等。因?yàn)檎麄€(gè)播放過(guò)程的鍵盤(pán)控制功能比較單一,沒(méi)有鍵的復(fù)合操作,所以程序都很容易實(shí)現(xiàn)。歌曲播放器程序要與鍵盤(pán)和LCD配合起來(lái)設(shè)計(jì)。程序流程大概可分為：硬件初始化→獲取U盤(pán)中mp3歌曲列表→歌曲播放和LCD顯示。MP3播放器部分主流程圖如圖4.1所示。歌曲播放和LCD顯示是程序的核心部分。主處理器和LCD從處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，以達(dá)到歌曲播放與歌詞顯示的同步以及鍵盤(pán)操作狀態(tài)的及時(shí)刷新。其程序流程圖如圖4.2所示。(2)USB通訊功能主處理器讓USB海量存儲(chǔ)設(shè)備在批量傳輸方式下工作，這樣共需要3個(gè)端點(diǎn)。0端點(diǎn)：控制端點(diǎn)。用于控制傳輸，PC機(jī)通過(guò)與端點(diǎn)0相對(duì)應(yīng)的管道來(lái)讀取設(shè)備描述符，完成對(duì)設(shè)備地址的設(shè)置，并完成配置。此端點(diǎn)為雙向數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)。兩個(gè)非0端點(diǎn)：批量傳輸端點(diǎn)。這種端點(diǎn)為單向數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，分別為批量輸入端點(diǎn)和批量輸出端點(diǎn)。主處理器通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)中斷寄存器（UEPINT）和PC機(jī)通信。如果某個(gè)端點(diǎn)完成了相應(yīng)的操作，就會(huì)引發(fā)中斷。USB主程序結(jié)構(gòu)框架流程圖如圖4.3所示。開(kāi)始開(kāi)始Flash復(fù)位MP3初始化鍵盤(pán)和LCD初始化EA=1開(kāi)中斷獲取歌曲信息是否處于播放狀態(tài)播放當(dāng)前歌曲播放器停止是否圖4.1MP3播放器部分主流程圖開(kāi)始開(kāi)始從U盤(pán)中查找當(dāng)前歌曲歌詞文件，傳給LCD從處理器從處理器接收文件，查找字庫(kù)將歌詞轉(zhuǎn)換成LCD顯示格式，作歌詞與顯示時(shí)間映射表MP3解碼器開(kāi)始工作，鍵盤(pán)響應(yīng)中斷，LCD同步顯示歌詞和狀態(tài)歌曲結(jié)束，準(zhǔn)備播放下一首圖4.2歌曲播放程序流程圖開(kāi)始開(kāi)始USB控制器初始化端點(diǎn)初始化讀取UEPINT狀態(tài)端口0是否產(chǎn)生中斷是端口1是否產(chǎn)生中斷端口0是否產(chǎn)生中斷否否是是處理標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求否處理Bulk-In端點(diǎn)請(qǐng)求處理Bulk-Out端點(diǎn)請(qǐng)求UEPINT清零圖4.3USB主程序結(jié)構(gòu)框架主流程圖(3)文件管理功能因?yàn)樵撓到y(tǒng)還要具有U盤(pán)的功能,所以存儲(chǔ)器中的文件還要能夠讓計(jì)算機(jī)讀寫(xiě)和識(shí)別,也就是所有的文件還要嚴(yán)格滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)格式的要求。在所有計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)中,FAT是比較常用的一種。一個(gè)FAT文件系統(tǒng)卷由4個(gè)部分組成:保留區(qū)、FAT區(qū)、根目錄區(qū)、文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)。其中保留區(qū)中的第一個(gè)分區(qū)必須是BPB,也稱(chēng)作“引導(dǎo)扇區(qū)”,因?yàn)樗袑?duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的關(guān)鍵信息,計(jì)算機(jī)將以此信息識(shí)別存儲(chǔ)器文件格式,因此十分重要。FAT區(qū)存放的是文件分配表。操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間是按簇來(lái)分配的,簇是操作系統(tǒng)分配的最小存儲(chǔ)單元,每個(gè)簇在FAT表中占據(jù)一個(gè)16位的位置,稱(chēng)為一個(gè)表項(xiàng)。同一個(gè)文件的數(shù)據(jù)并不一定存放在存儲(chǔ)區(qū)的一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi),往往會(huì)分成若干段,像一條鏈子一樣的存放,這種存儲(chǔ)方式稱(chēng)為文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ),必須準(zhǔn)確地記錄哪些簇已經(jīng)被占用,還必須為每一個(gè)已經(jīng)占用的簇指明后繼內(nèi)容的下一個(gè)簇的簇號(hào),對(duì)于一個(gè)文件的最后一個(gè)簇,則要指明本簇沒(méi)有后繼簇,這些就是由FAT表來(lái)存儲(chǔ)的。根目錄區(qū)存放的是目錄項(xiàng),每個(gè)目錄項(xiàng)為32個(gè)字節(jié),記錄一個(gè)文件或目錄的信息。目錄項(xiàng)所占的空間與目錄項(xiàng)的個(gè)數(shù)有關(guān)。文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)是真正存放文件數(shù)據(jù)的位置,所有數(shù)據(jù)都按照以上信息分配存儲(chǔ)的。其中比較重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下所示：structBootSecFAT16Str//引導(dǎo)扇區(qū)FAT16擴(kuò)展結(jié)構(gòu){ BYTE BS_DrvNum; BYTE BS_Reserved1; BYTE BS_BootSig; DWORD BS_VolID; char BS_VolLab[11]; char BS_FilSysType[8];};structBootSecFAT32Str//引導(dǎo)扇區(qū)FAT32擴(kuò)展結(jié)構(gòu){ DWORD BPB_FATSz32;//FAT32扇區(qū)總數(shù) WORD BPB_ExtFlags; WORD BPB_FSVer; DWORD BPB_RootClus;//根目錄開(kāi)始的簇 WORD BPB_FSInfo; WORD BPB_BkBootSec; char BPB_Reserved[12]; BYTE BS_DrvNum; BYTE BS_Reserved1; BYTE BS_BootSig; DWORD BS_VolID; char BS_VolLab[11]; char BS_FilSysType[8];};structBootSecStr//引導(dǎo)扇區(qū)結(jié)構(gòu){ BYTE BS_jmpBoot[3]; BYTE BS_OEMName[8]; WORD BPB_BytesPerSec;//每扇區(qū)字節(jié)數(shù)512 BYTE BPB_SecPerClus;//每簇扇區(qū)數(shù) 1248163264128 WORD BPB_RsvdSecCnt;//保留扇區(qū)數(shù) 0x20 BYTE BPB_NumFATs;//FAT表個(gè)數(shù) 2 WORD BPB_RootEntCnt; WORD BPB_TotSec16; BYTE BPB_Media; WORD BPB_FATSz16; WORD BPB_SecPerTrk; WORD BPB_NumHeads; DWORD BPB_HiddSec; DWORD BPB_TotSec32; union FATUni { structBootSecFAT32Str F32; structBootSecFAT16Str F16; }FAT;};structDPTStr//分區(qū)表結(jié)構(gòu){ BYTE BootFlag; BYTE CHSBegin[3]; BYTE TypeCode; BYTE CHSEnd[3]; DWORD LBABegin; DWORD CntSec;};structFAT32FSInfoStr//FAT32擴(kuò)展信息結(jié)構(gòu){ DWORD LeadSig; BYTE Reserved1[480]; DWORD StrucSig; DWORD FreeCount; DWORD NxtFree; BYTE Reserved2[12]; DWORD TrailSig;};structFAT32SDirStr//FAT目錄結(jié)構(gòu)短文件名{ CHAR Name[11]; BYTE Attr; BYTE NTRes; BYTE CrtTimeTenth; WORD CrtTime; WORD CrtDate; WORD LstAccDate; WORD FstClusHI; WORD WrtTime; WORD WrtDate; WORD FstClusLO; DWORD FileSize;};structFAT32LDirStr//FAT目錄結(jié)構(gòu)長(zhǎng)文件名{ BYTE Ord; BYTE Name1[10]; BYTE Attr; BYTE Type; BYTE Chksum; BYTE Name2[12]; WORD FstClusLO; BYTE Name3[4];};structFAT32Str//FAT32參數(shù)表{ BYTE ClusSecCnt;//當(dāng)前簇扇區(qū)計(jì)數(shù) DWORD CurrentDirectory;//當(dāng)前目錄入口（簇號(hào)） BYTE SecPerClus;//每簇扇區(qū)數(shù) 1248163264128 WORD RsvdSecCnt;//保留扇區(qū)數(shù) 0x20 BYTE NumFATs;//FAT表個(gè)數(shù) 2 DWORD RootClus;//根目錄開(kāi)始的簇 DWORD ClusSec;//簇開(kāi)始的扇區(qū) DWORD FATSz;//FAT表大?。ㄉ葏^(qū)） DWORD FATSec;//FAT表開(kāi)始扇區(qū) DWORD FSISec;//FSI所在扇區(qū) DWORD FSIFreeCount;//空閑簇?cái)?shù) DWORD FSINxtFree;//空閑簇搜索指針};structFCBStr{ CHAR FileName[12];//文件名 DWORD Size;//文件大小 DWORD FirstCluster;//第一個(gè)簇 DWORD LastCluster;//最近一次讀到的簇號(hào) DWORD ClusSecCnt;//當(dāng)前簇扇區(qū)計(jì)數(shù) DWORD ByteCnt;//當(dāng)前字節(jié)計(jì)數(shù)};structFATStr{ DWORD Sector; DWORD FAT[128];};課程設(shè)計(jì)總結(jié)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很艱巨的工程，本次課程設(shè)計(jì)雖然進(jìn)行了2個(gè)多月，但是我仍然感覺(jué)到時(shí)間很倉(cāng)促，前期的硬件知識(shí)了解花了很多時(shí)間，走了很多彎路。由于條件的限制，我并沒(méi)有親手將這些硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，所有的一切都是在紙上談兵，軟件的