嵌入式MP3播放器設計

PAGEPAGE5基于AT89C51SND1C的MP3播放器設計概述MP3作為高質量音樂壓縮標準，正進入越來越多人的生活，給數(shù)字音頻工業(yè)帶來強勁的沖擊。MP3技術音樂數(shù)據(jù)壓縮比較大，回放質量較高。如將CD格式的音樂數(shù)據(jù)壓縮成MP3格式，音效相差無幾，但大小至少可壓縮12倍。由于MP3音樂的較小數(shù)據(jù)量和近乎完美的播放效果，使MP3格式的音樂文件在網絡上傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。1995年，采用MP3格式的音樂開始在網上傳播時，主要是用類似Winamp的播放軟件進行播放,使MP3音樂無法脫離計算機進行播放,給欣賞音樂帶來不便。1997－1998年間，韓國Saehan公司制造了世界上第一臺便攜式MP3播放器MP-F20(MPMan系列MP3播放器的第一款商業(yè)產品)。1998年8月，DiamondMultimedia公司在美國推出了Rio系列MP3隨身聽,正式啟動了MP3播放器市場。隨著技術的發(fā)展，人們對MP3播放器的要求也越來越高，因而制造商從各個方面提升其附加功能，擴大MP3播放器的適用領域。隨著MP3播放器的出現(xiàn)和市場的快速發(fā)展為微控制器(MCU)甚至MCU/DSP混合器件應用帶來了新的機遇。許多半導體公司提供各種供MP3播放器使用的器件，包括解碼器、數(shù)模轉換器、模數(shù)轉換器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用標準產品(ASSP)以及MCU/DSP混合器件等,這就為MP3播放器的選型、設計、開發(fā)提供了多種方案。隨著MP3播放器的激烈競爭，產品開發(fā)的發(fā)展以及技術的不斷發(fā)展，一些芯片廠商已經推出了集成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月具有吸引力，如將MP3中的儲存器開辟為移動存儲設備，增加了MP3錄音、調頻收音機、以及多種現(xiàn)場環(huán)境感覺功能的播放模式，可播放多種數(shù)字音樂格式(如WMA、AAC等)，集成時鐘日歷，同步顯示中文歌詞等等。系統(tǒng)原理市場上流行的MP3播放器通常是兼具播放器和U盤功能的嵌入式電子產品,除了具有方便的播放控制功能之外,還支持USB通訊協(xié)議,可以與計算機進行數(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設計方案是一個僅具備以上幾種基本功能的嵌入式系統(tǒng)。一個典型的MP3播放器的主要結構如圖1所示。其組成部分包括單片機控制系統(tǒng)、LCD顯示器、按鍵、MP3解碼器、D/A轉換、音頻放大、大容量移動存儲器、USB接口和聲音輸出等等。LCD顯示器LCD顯示器按鍵單片機(MP3解碼、D/A轉換）)大容量移動存儲器USB音頻放大聲音輸出圖2.1MP3播放器主要結構示意圖MCU(單片機)主要負責控制USB接口芯片與計算機通訊從計算機商下載MP3文件、通過總線控制解碼芯片工作，以及完成數(shù)據(jù)從源到解碼器的傳輸；大容量移動存儲器用來存儲MP3文件，播放時MP3文件從存儲器傳送到解碼器解碼，這些控制都是由單片機實現(xiàn)的。解碼后的數(shù)字音頻信號通過內置D/A轉換器轉換成模擬音頻信號，然后通過音頻放大電路，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、快進和倒帶以及其它功能的選擇。在具有U盤功能的MP3播放器中,U盤主要由CPU、USBDevice接口芯片和存儲器三部分構成。其中CPU和USBDevice接口往往AT89C51SND1C芯片已經提供了完善的鍵盤接口，引腳為KIN0、KIN1、KIN2、KIN3。在這里我直接借用它的鍵盤接口，直接將開關按鍵接入到這四個引腳，分別作為STOP、FFW、REW、PLAY/PAUSE按鍵。D/A轉換和音頻處理設計由于AT89C51SND1C中只帶有MP3解碼模塊，所以需要對MP3解碼出來的數(shù)字信號進行D/A轉換得到模擬信號，然后經過伴音處理芯片TDA7050,輸出到耳機。D/A轉換芯片我選用的是CS4330。這個芯片工作電壓為3V或者5V，所以電源提供的3.3V電壓并不能完全滿足它的要求，這里我加上兩個電容C37(0.1uF)和C38(10uF)進行處理，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兩個引腳輸入接到芯片的IN1-和IN2-兩個引腳，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轉換和音頻處理電路圖電源設計使用Max1677芯片進行電壓轉換,將兩節(jié)七號干電池電壓升至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。電源設計圖如下所示：圖3.2電源設計圖中斷分配AT89C51SND1C芯片內部集成了很多功能部件，也提供了完善的中斷機制，表3.2是中斷系統(tǒng)信號表，表3.3是本系統(tǒng)用到的中斷的中斷優(yōu)先級和中斷向量表。表3.3中斷系統(tǒng)信號信號名稱描述選擇引腳INT0外部中斷0P3.2INT1外部中斷1P3.3KIN3:0鍵盤中斷輸入P1.3:0表3.4中斷優(yōu)先級和中斷向量表中斷名優(yōu)先級中斷向量INT01（最高級）C:0003hTimer02C:000BhINT13C:0013hTimer14C:001Bh串口5C:0023hMP3解碼器6C:002Bh音頻接口7C:0033h雙線控制器9C:0043hA/D轉換11C:0053h鍵盤12C:005BhUSB14C:006BhRS232接口電路AT89C51SND1C芯片內部集成了UART,在這里我選用了MAX232CWE芯片。數(shù)據(jù)由PC機A的串口RS232發(fā)出，經MAX232電平轉換后，送入芯片。在芯片中，先由擴展串口UART接收數(shù)據(jù)，經內嵌8051的控制處理。圖3.3RS232電平轉換電路設計軟件系統(tǒng)設計主要使用51系統(tǒng)單片機中所使用的C語言來實現(xiàn)MP3源程序設計。沒有實時操作系統(tǒng)的支持。可以利用單片機開發(fā)軟件Keil軟件方便開發(fā)mp3播放器，無需特殊軟件平臺。具有U盤功能的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解碼器一旦開始工作,就會一直向CPU請求數(shù)據(jù),直至歌曲結束,只有通過鍵盤操作才會使該功能提前結束。因為MP3文件的數(shù)據(jù)量較大,在flash存儲器內是以頁為單位進行存儲的,所以MP3的播放程序初始化就是要把該文件的首地址和頁數(shù)先讀出到CPU中,然后CPU可以根據(jù)如上數(shù)據(jù)進行取數(shù)據(jù)工作。第二部分則一直在等待中斷發(fā)生,該程序是與鍵盤結合起來的,主要用于使用者對播放過程的控制。鍵盤操作對MP3播放過程的控制還包括后退、躍進、跳到下一首、音量控制等。因為整個播放過程的鍵盤控制功能比較單一,沒有鍵的復合操作,所以程序都很容易實現(xiàn)。歌曲播放器程序要與鍵盤和LCD配合起來設計。程序流程大概可分為：硬件初始化→獲取U盤中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從處理器之間通過串口進行通信，以達到歌曲播放與歌詞顯示的同步以及鍵盤操作狀態(tài)的及時刷新。其程序流程圖如圖4.2所示。(2)USB通訊功能主處理器讓USB海量存儲設備在批量傳輸方式下工作，這樣共需要3個端點。0端點：控制端點。用于控制傳輸，PC機通過與端點0相對應的管道來讀取設備描述符，完成對設備地址的設置，并完成配置。此端點為雙向數(shù)據(jù)傳輸端點。兩個非0端點：批量傳輸端點。這種端點為單向數(shù)據(jù)傳輸端點，分別為批量輸入端點和批量輸出端點。主處理器通過一個端點中斷寄存器（UEPINT）和PC機通信。如果某個端點完成了相應的操作，就會引發(fā)中斷。USB主程序結構框架流程圖如圖4.3所示。開始開始Flash復位MP3初始化鍵盤和LCD初始化EA=1開中斷獲取歌曲信息是否處于播放狀態(tài)播放當前歌曲播放器停止是否圖4.1MP3播放器部分主流程圖開始開始從U盤中查找當前歌曲歌詞文件，傳給LCD從處理器從處理器接收文件，查找字庫將歌詞轉換成LCD顯示格式，作歌詞與顯示時間映射表MP3解碼器開始工作，鍵盤響應中斷，LCD同步顯示歌詞和狀態(tài)歌曲結束，準備播放下一首圖4.2歌曲播放程序流程圖開始開始USB控制器初始化端點初始化讀取UEPINT狀態(tài)端口0是否產生中斷是端口1是否產生中斷端口0是否產生中斷否否是是處理標準USB請求否處理Bulk-In端點請求處理Bulk-Out端點請求UEPINT清零圖4.3USB主程序結構框架主流程圖(3)文件管理功能因為該系統(tǒng)還要具有U盤的功能,所以存儲器中的文件還要能夠讓計算機讀寫和識別,也就是所有的文件還要嚴格滿足計算機文件系統(tǒng)格式的要求。在所有計算機文件系統(tǒng)中,FAT是比較常用的一種。一個FAT文件系統(tǒng)卷由4個部分組成: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)中的第一個分區(qū)必須是BPB,也稱作“引導扇區(qū)”,因為它含有對文件系統(tǒng)進行識別的關鍵信息,計算機將以此信息識別存儲器文件格式,因此十分重要。FAT區(qū)存放的是文件分配表。操作系統(tǒng)的存儲空間是按簇來分配的,簇是操作系統(tǒng)分配的最小存儲單元,每個簇在FAT表中占據(jù)一個16位的位置,稱為一個表項。同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定存放在存儲區(qū)的一個連續(xù)的區(qū)域內,往往會分成若干段,像一條鏈子一樣的存放,這種存儲方式稱為文件的鏈式存儲。為了實現(xiàn)文件的鏈式存儲,必須準確地記錄哪些簇已經被占用,還必須為每一個已經占用的簇指明后繼內容的下一個簇的簇號,對于一個文件的最后一個簇,則要指明本簇沒有后繼簇,這些就是由FAT表來存儲的。根目錄區(qū)存放的是目錄項,每個目錄項為32個字節(jié),記錄一個文件或目錄的信息。目錄項所占的空間與目錄項的個數(shù)有關。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的。其中比較重要的數(shù)據(jù)結構設計如下所示：structBootSecFAT16Str//引導扇區(qū)FAT16擴展結構{ BYTE BS_DrvNum; BYTE BS_Reserved1; BYTE BS_BootSig; DWORD BS_VolID; char BS_VolLab[11]; char BS_FilSysType[8];};structBootSecFAT32Str//引導扇區(qū)FAT32擴展結構{ DWORD BPB_FATSz32;//FAT32扇區(qū)總數(shù) WORD BPB_ExtFlags; WORD BPB_FSVer; DWORD BPB_RootClus;//根目錄開始的簇 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//引導扇區(qū)結構{ 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)表結構{ BYTE BootFlag; BYTE CHSBegin[3]; BYTE TypeCode; BYTE CHSEnd[3]; DWORD LBABegin; DWORD CntSec;};structFAT32FSInfoStr//FAT32擴展信息結構{ DWORD LeadSig; BYTE Reserved1[480]; DWORD StrucSig; DWORD FreeCount; DWORD NxtFree; BYTE Reserved2[12]; DWORD TrailSig;};structFAT32SDirStr//FAT目錄結構短文件名{ 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目錄結構長文件名{ 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;//當前簇扇區(qū)計數(shù) DWORD CurrentDirectory;//當前目錄入口（簇號） BYTE SecPerClus;//每簇扇區(qū)數(shù) 1248163264128 WORD RsvdSecCnt;//保留扇區(qū)數(shù) 0x20 BYTE NumFATs;//FAT表個數(shù) 2 DWORD RootClus;//根目錄開始的簇 DWORD ClusSec;//簇開始的扇區(qū) DWORD FATSz;//FAT表大?。ㄉ葏^(qū)） DWORD FATSec;//FAT表開始扇區(qū) DWORD FSISec;//FSI所在扇區(qū) DWORD FSIFreeCount;//空閑簇數(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;//第一個簇 DWORD LastCluster;//最近一次讀到的簇號 DWORD ClusSecCnt;//當前簇扇區(qū)計數(shù) DWORD ByteCnt;//當前字節(jié)計數(shù)};structFATStr{ DWORD Sector; DWORD FAT[128];};課程設計總結一個嵌入式系統(tǒng)的設計是一個很艱巨的工程，本次課程設計雖然進行了2個多月，但是我仍然感覺到時間很倉促，前期的硬件知識了解花了很多時間，走了很多彎路。由于條件的限制，我并沒有親手將這些硬件的設計實現(xiàn)，所有的一切都是在紙上談兵，軟件的