基于A(yíng)T89C51SND1C單片機的MP3播放器設計

摘要：首先分析了便攜式MP3播放器的工作原理及其系統構成，接著(zhù)介紹了一種基于51單片機的MP3播放器設計方案。采用 AT89C51SND1C單片機，其片內集成了MP3解碼器，使用K9F1208閃存作為外存儲器，放音電路采用CS4330，音樂(lè )文件通過(guò)播放器上的 USB接口從PC機上直接下載。該方案設計簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高、低功耗、易擴展。

引言

MP3作為高質(zhì)量音樂(lè )壓縮標準，正在進(jìn)入越來(lái)越多人的生活，給數字音頻工業(yè)帶來(lái)了強勁的沖擊。MP3使用此技術(shù)可以獲得較大的音樂(lè )壓縮比，還可以得到較高的音樂(lè )回放質(zhì)量，比如將CD格式的音樂(lè )數據壓縮成MP3格式，音效相差無(wú)幾，文件大小至少可以壓縮12倍。

正是由于MP3音樂(lè )的較小數據量和近似完美的播放效果，使得以MP3為后綴的音樂(lè )文件在網(wǎng)絡(luò )上的傳輸得以實(shí)現。當前MP3播放器正朝著(zhù)功能強大、外觀(guān)豐富、價(jià)格便宜的方向發(fā)展，這里提出一種基于AT89C51SND1C單片機的MP3播放器設計方案。

1 MP3編碼簡(jiǎn)介

MP3是MPEG Layer III(第3層音頻編碼標準)的縮寫(xiě)，圖1為MP3編碼器內部原理框圖。它是一種超級聲音文件的壓縮方法，其數字壓縮速率為每通道128 Kb/s。MPEG由音頻和視頻兩部分組成，可以分別進(jìn)行壓縮。MPEG在音頻上壓縮分為MPEG Layerl、MPEG Layer2和MPEG Layer3，其中MP3具有最高的壓縮比12：1。在一般沒(méi)有壓縮數據的情況下，音頻被數字化時(shí)，采樣頻率必須為實(shí)際聲音最高頻率的2倍以上。

目前最好的CD音質(zhì)中，聲音最高頻率是20 kHz，采樣頻率定為44.1 kHz，16位量化，要獲得CD音質(zhì)立體聲，每秒鐘的數據量將超過(guò)1.4 Mb;而采用MP3壓縮，數據量可以縮小到1/12，音質(zhì)卻沒(méi)有損失。如果再進(jìn)一步壓縮數據量到1/24或者更多，依然可以維持相當好的音質(zhì)，比起通過(guò)降低采樣頻率、縮短采樣深度的方法要好得多。

2 MP3播放器設計

對于便攜式MP3系統，主要考慮的是其體積小巧、低功耗、高容量、低價(jià)格。當前流行的MP3播放器主要包括：?jiǎn)纹瑱C控制系統、大容量移動(dòng)存儲設備、MP3 解碼器、D/A轉換芯片、音頻放大電路、USB接口、LCD顯示和鍵盤(pán)電路等，其基本工作原理如圖2所示。通過(guò)USB接口把Flash存儲器上的MP3、 WMA等格式的數字音樂(lè )文件送到單片機內部集成的解碼芯片進(jìn)行解碼，這些音樂(lè )文件經(jīng)解碼后成為數字信號，然后音頻DAC通過(guò)D/A轉換將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號，再通過(guò)功率放大器進(jìn)行音頻放大，最后通過(guò)耳機輸出音樂(lè )。

本系統主要實(shí)現一個(gè)MP3播放器功能，由于涉及文件傳輸和存儲問(wèn)題，所以附帶需要實(shí)現USB存儲器功能。整個(gè)系統由AT89C51SND1C(MCU)、K9F2808U0A(Flash芯片)、電源部分、音頻部分、串行通信部分和人機接口部分組成。

MCU部分：控制整個(gè)系統，提供USB控制和MP3解碼功能。FLASH芯片：存放整個(gè)系統文件。電源部分：提供系統工作需要的電源，包括一個(gè)升壓和一個(gè)降壓部分。音頻部分：把數據流轉換為聲音信號。人機接口部分：包括按鍵和LED指示等。USB接口部分：通過(guò)PC的USB接口進(jìn)行MP3文件的下載。

2.1 硬件設計

2.1.1 控制器部分

AT89C51SND1C是Atmel公司專(zhuān)門(mén)針對MP3設計需求研發(fā)的一款多媒體8位微處理器，使用通用的C51內核，集成了CPU和硬件解碼器，為 MP3設計提供了一套方便的解決方案。該芯片的高度集成大大降低了系統的耗電和發(fā)熱，提高了系統的穩定性和速度，抗干擾能力也顯著(zhù)增強。需要注意的是，由于在系統中有MP3和USB傳輸等高頻信號，為了避免噪聲對系統的影響，尤其是對音頻輸出信號的影響，所以在A(yíng)T89C51SND1C的正負電源間需要加上一個(gè)RC濾波電路以消除電路中的噪聲。對于A(yíng)VDD和UVDD的兩個(gè)模擬電壓和數字電源而言，兩者需要在數字地和模擬地處單點(diǎn)通過(guò)一個(gè)磁珠相連，以免數字電源和模擬電源之間相互影響。

2.1. 2 音頻部分

音頻是整個(gè)系統中最為重要的一個(gè)部分，在把數字信號轉換為模擬信號的過(guò)程中容易產(chǎn)生噪聲，這個(gè)關(guān)系到MP3播放器聲音效果的好壞，本系統選擇的是CS4330芯片，CS43 30能兼容48 KHz、44.1 KHz和32 KHz的音頻流。聲音數據通過(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的驅動(dòng)下數據被送入CS4330的數據緩存中，而主時(shí)鐘決定了數據濾波器的使用。

2.1.3 存儲部分

采用三星公司的NAND Flash K9F1208作為系統的數據存儲器，用來(lái)存儲本系統所需播放的音樂(lè )文件。主芯片AT89C51SND1C和Flash存儲器間的通信與讀取一般的存儲器 RAM、EEPROM等基本一致，不同的就是多了CLE和ALE這2個(gè)引腳，這是由Flash本身特點(diǎn)所決定的。主芯片通過(guò)讀取R/B這個(gè)引腳來(lái)判斷 Flash讀寫(xiě)是否完成，如果正在讀寫(xiě)，那么這個(gè)引腳為低電平，表示正忙;如果讀寫(xiě)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(gè)信號均為上升沿有效，WP引腳為寫(xiě)保護，用來(lái)在電源由于切換等造成不穩定的情況下防止數據丟失。

2.1.4 人機接口部分

人機接口部分主要提供一個(gè)人和系統進(jìn)行信息交換的接口，包括鍵盤(pán)輸入、LED顯示以及串行口3個(gè)部分。鍵盤(pán)輸入提供給用戶(hù)選擇功能的能力、LED顯示系統現在的工作狀態(tài)，串行口可以方便開(kāi)發(fā)過(guò)程中的調試，通過(guò)串口調試助手等工具，把系統運行的情況反饋到PC機的屏幕。

2. 1.5 USB接口部分

一般通過(guò)PC的USB接口進(jìn)行MP3文件的下載，傳輸速率為12 Mbps。由于A(yíng)tmel公司生產(chǎn)的AT89C51SND1C芯片僅支持USB1.1技術(shù)規范，因此接口速度稍慢。但對于MP3播放來(lái)說(shuō)，可以滿(mǎn)足需要。

2. 2 軟件設計

MP3播放系統的軟件設計，按照模塊可以劃分為以下幾個(gè)部分：

◆Flash存儲部分：這是系統中的文件存儲系統，按照FAT文件格式對Flash芯片進(jìn)行劃分，對芯片的操作必須按照FAT格式進(jìn)行。

◆USB通信驅動(dòng)：USB驅動(dòng)通信主要包括如何按照Windows 7中對USB移動(dòng)硬盤(pán)的描述編寫(xiě)設備的固件程序，以便操作系統對MP3系統的操作。

◆MP3解碼控制：控制系統中間的MP3解碼器把從Flash中取出來(lái)的MP3壓縮數據流解碼成音頻數據流，提供給音頻解碼接口。

◆音頻解碼接口：和外圍的音頻驅動(dòng)芯片接口，對音頻驅動(dòng)芯片進(jìn)行配置以及控制，把解碼后的數字信號轉化為模擬聲音并且驅動(dòng)耳機。

◆其他部分：由提供人機接口的鍵盤(pán)掃描驅動(dòng)、LED顯示驅動(dòng)、數碼管驅動(dòng)部分組成。

系統軟件結構框圖如圖3所示。

2.3 MP3播放程序結構

在主程序時(shí)，如果處于播放狀態(tài)，則調用PlayMP3函數播放歌曲，直至播放到最后一首，在PlayMP3里面，MP3解碼器一旦開(kāi)始工作以后，就會(huì )一直向CPU請求數據，直至歌曲結束。程序進(jìn)入此函數以后，只有改變當前歌曲的鍵盤(pán)操作才能使此函數提前結束，進(jìn)入下一首歌曲的播放。

MP3播放函數的工作分兩部分進(jìn)行：第一部分是播放一首新的MP3歌曲時(shí)，要做一些初始化工作;第二部分則一直在等待中斷發(fā)生。第二部分與鍵盤(pán)結合，以實(shí)現MP3播放過(guò)程中的用戶(hù)操作。MP3播放程序結構框圖如圖4所示。

2.4 人機接口程序結構

當執行MP3程序的時(shí)候，需要通過(guò)按鍵操作來(lái)控制MP3歌曲的播放，每個(gè)鍵對應一個(gè)鍵盤(pán)響應函數：

①Func：功能切換。

②Next：向后。

③Previous：向前。

④PlayPause：播放/暫停。

人機接口流程圖如圖5所示。

結語(yǔ)

本文提出基于A(yíng)T89C51SND1C單片機的MP3播放器的設計方案，MP3為取得較好的壓縮效果而采用相對復雜的技術(shù)，寬帶音頻信號的取樣率也較高 (一般為44.1 KHz以上)，所以MP3編解碼的運算量和數據量都相當龐大。MPEG LayerIII解碼算法在A(yíng)T89C51SND1C上驗證通過(guò)并獲得較好的效果，通過(guò)優(yōu)化后可流暢播放音樂(lè )。此MP3播放器系統既有播放歌曲的功能又有 U盤(pán)功能。兩種功能的轉換用USB接口檢測電路來(lái)控制：當MP3播放器上的USB設備插入PC機上的USB接口進(jìn)行文件下載時(shí)，執行U盤(pán)功能;否則程序執行MP3功能。