隨著人們對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，促進了MP3播放器的產(chǎn)生,，隨著人們對MP3產(chǎn)品進一步的認識和更高層次的需求,，MP3發(fā)生了一系列的變化，其更加小巧精致,，更人機化和情趣化,，個性區(qū)分也越來越強,。還出現(xiàn)了功能的融人和產(chǎn)品的整合，總之,，MP3播放器正朝著功能強大,、外觀豐富、價格便宜的方向發(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,。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(qū)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(jié)構(gòu)
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?qū)⒑髢刹糠旨稍谝黄穑醇捎布獯a,、D／A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)試選用串口電平轉(zhuǎn)換器：MAX3232；6)MP3屏幕顯示器：LCD1602,。
1．2 功能
在該硬件系統(tǒng)設(shè)計中,，采用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51SND1C作為主控MCU，可以實現(xiàn)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(diào)節(jié)，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(yīng)用標準語音編碼格式壓縮和存儲數(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行解碼,，這些音樂文件經(jīng)過解碼后解碼為數(shù)字信號,，然后通過A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(tǒng)的一般工作過程如下：當(dāng)用戶要求播放MP3音樂時，如果在該系統(tǒng)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(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，該信號按照用戶設(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)字信號轉(zhuǎn)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(shè)計
3．1 硬件設(shè)計
該設(shè)計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)計主要包括：1)主芯片AT89C51SND1C和存儲器K9F1208之間的連接設(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)換器之間,，這一系統(tǒng)將該系統(tǒng)解碼后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)信號以及反饋信號的連接,；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)和存儲系統(tǒng)的切換電路設(shè)計,。
3．1．1 主電路設(shè)計
系統(tǒng)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(shù)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(nèi)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(huán)繞聲效果,、輔助數(shù)據(jù)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(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)64KB Flash程序空間和4 KB引導(dǎo)閃存(AT89C51SND1)，在系統(tǒng)編程：通過USB,，UART接口進行在系統(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(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)兩個標準的16位的定時／計數(shù)器、硬件看門狗,、帶有波特率發(fā)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(fù)位、軟件可編程MCU時鐘和空閑,、掉電模式,。
AT89C51SND1C內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化后實際就是64K80C51+MP3解碼器+USB，使用該芯片設(shè)計MP3播放系統(tǒng)具有很多優(yōu)點,，如支持在系統(tǒng)編程不需要昂貴的仿真器,，系統(tǒng)設(shè)計成本降低；內(nèi)置2 304 B的RAM,，方便用戶增加復(fù)雜的功能,。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)換器和存儲器就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的要求,，這樣可以做到系統(tǒng)空間很小,，這一點正好適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器,，用來存儲本系統(tǒng)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(tài),，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(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,。
3．1．3 接口部分
AT89C51SND1C內(nèi)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(shè)備,，當(dāng)電平由低變高，表示已接入USB主機,，系統(tǒng)進入U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(dāng)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(zhí)行U盤功能,；否則，程序運行時會執(zhí)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(shù)據(jù)交換狀態(tài),，當(dāng)USB的端點有數(shù)據(jù)交換時,，此燈會閃爍。
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,，而人耳所能識別的信號卻為模擬信號,，系統(tǒng)利用CS4330進行轉(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)部進行硬件解碼為二進制數(shù)據(jù),，之后通過D／A轉(zhuǎn)換器CS4330來對這些數(shù)據(jù)進行數(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)字信號經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換后還原為模擬音頻信號。
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(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,、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，正好適應(yīng)MP3播放器的需求,。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
MP3播放器的軟件設(shè)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(shè)計
MP3播放程序設(shè)計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，就會一直向CPU請求數(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)將會提前結(jié)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(shè)計
USB通信功能模塊用于對Flash存儲器內(nèi)的文件進行管理,，實現(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(huán)讀取USB端點中斷寄存器,，當(dāng)查詢到有中斷產(chǎn)生時則進入到相應(yīng)的中斷處理程序,，開始設(shè)備配置和數(shù)據(jù)傳輸。
4 結(jié)束語
本文提出基于AT89C51SND1C單片機的MP3播放器的設(shè)計方法,，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接口檢測電路來控制。當(dāng)MP3播放器上的USB設(shè)備插入PC機上的USB接口進行文件下載時執(zhí)行U盤功能,，否則程序運行執(zhí)行MP3功能,。此設(shè)計低功耗，易擴展,，性價比高,，與同類產(chǎn)品相比,，有很強的市場競爭能力和實用價值。