嵌入式MP播放器设计

基于AT89C51SND1C的MP3播放器设计1、 概述MP3作为高质量音乐压缩标准，正进入越来越多人的生活，给数字音频工业带来强劲的冲击。MP3技术音乐数据压缩比较大，回放质量较高。如将CD格式的音乐数据压缩成MP3格式，音效相差无几，但大小至少可压缩12倍。由于MP3音乐的较小数据量和近乎完美的播放效果，使MP3格式的音乐文件在网络上传输得以实现。1995年，采用MP3格式的音乐开始在网上传播时，主要是用类似Winamp的播放软件进行播放,使MP3音乐无法脱离计算机进行播放,给欣赏音乐带来不便。19971998年间，韩国Saehan公司制造了世界上第一台便携式MP3播放器MP-F20(MPMan系列MP3播放器的第一款商业产品)。1998年8月，Diamond Multimedia公司在美国推出了Rio系列MP3随身听,正式启动了MP3播放器市场。随着技术的发展，人们对MP3播放器的要求也越来越高，因而制造商从各个方面提升其附加功能，扩大MP3播放器的适用领域。随着MP3播放器的出现和市场的快速发展为微控制器(MCU)甚至MCU/DSP混合器件应用带来了新的机遇。许多半导体公司提供各种供MP3播放器使用的器件，包括解码器、数模转换器、模数转换器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用标准产品(ASSP)以及MCU/DSP混合器件等,这就为MP3播放器的选型、设计、开发提供了多种方案。随着MP3播放器的激烈竞争，产品开发的发展以及技术的不断发展，一些芯片厂商已经推出了集成MP3解码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发展。另外MP3播放器的附加功能也越来月具有吸引力，如将MP3中的储存器开辟为移动存储设备，增加了MP3录音、调频收音机、以及多种现场环境感觉功能的播放模式，可播放多种数字音乐格式(如WMA、AAC等)，集成时钟日历，同步显示中文歌词等等。2、 系统原理市场上流行的MP3播放器通常是兼具播放器和U盘功能的嵌入式电子产品,除了具有方便的播放控制功能之外,还支持USB通讯协议,可以与计算机进行数据交换,有些LCD显示,或具有录音功能。基于以上的功能分析,本文要涉及的MP3设计方案是一个仅具备以上几种基本功能的嵌入式系统。一个典型的MP3播放器的主要结构如图1所示。其组成部分包括单片机控制系统、LCD显示器、按键、MP3解码器、D/A转换、音频放大、大容量移动存储器、USB接口和声音输出等等。LCD显示器按键单片机(MP3解码、D/A转换）)大容量移动存储器USB音频放 大声音输 出图2.1 MP3播放器主要结构示意图MCU(单片机)主要负责控制USB接口芯片与计算机通讯从计算机商下载MP3文件、通过总线控制解码芯片工作，以及完成数据从源到解码器的传输；大容量移动存储器用来存储MP3文件，播放时MP3文件从存储器传送到解码器解码，这些控制都是由单片机实现的。解码后的数字音频信号通过内置D/A转换器转换成模拟音频信号，然后通过音频放大电路，最后输出。LCD显示器同步显示正在播放的MP3文件的状态，按键控制MP3播放器的播放、停止、快进和倒带以及其它功能的选择。在具有U盘功能的MP3播放器中,U盘主要由CPU、USB Device接口芯片和存储器三部分构成。其中CPU和USBDevice接口往往是集成在一起的芯片,存储器一般为Flash；MP3主要组成部分是:CPU、MP3硬件解码器、D/A转换与音频放大器、Flash存储器。集成解决方案可以是带MP3硬件解码器的CPU,或者是将硬件解码、D/A转换与音频输入集成在一起。如果利用U盘的海量存储容量,为MP3提供大量存储器,同时MP3和U盘采用同一个CPU来进行MP3播放器的设计,可使其具有良好的性价比。本文所设计的具有U盘功能的MP3可分为以下几个组成部分:CPU、USB Device接口、MP3硬件解码、D/A转换与音频放大芯片、Flash存储器。几个可以参考的方案如表1所示。表2.1 方案选择表 CPUUSB Device接口芯片MP3解码芯片D/A转换与音频放大芯片Flash存储器方案一AT89C51SND1中集成AT89C51SND1中集成AT89C51SND1中集成CS4330A+双路运放K9F5608方案二PIC16C64PDIUSBD12MAX3507DDAC3550K9F5608方案三AVR8515PDIUSBD12STA013CS4330A+双路运放K9F5608以数字电路为主的硬件电路设计,一般以芯片为核心来实现系统功能。单个芯片实现某一部分的主要功能,而多个芯片之间则要有机的协调和配合。因此,最终选定高集成度的带有CPU、解码器和USB控制器的芯片AT89C51SND1为核心来完成MP3播放器中的设计。通过AT89C51SND1集成芯片进行解码和USB控制,辅以K9F5608进行存储,并通过CS4330A和双路运放芯片实现D/A转换与音频放大来实现MP3(U盘)的功能。3、 硬件系统设计（1） 嵌入式处理器选型设计由于AT89C51SND1C芯片中集成有CPU、MP3解码器和USB控制器，可以大大简化硬件设计的复杂度，而且成本不算很高，所以本次课程设计打算采用AT89C51SND1C芯片做为系统的嵌入式处理器。AT89C51SND1C是美国ATMLE公司针对MP3解决方案新生产的一款芯片，具有C51内核，AT89C51SND1C在原有的89C51的基础上增加了MP3解码模块，支持48、44.1、32、24、22.05、16KHz采样频率,左右声道独立的音量控制,重低音、中音、高音均衡控制,重低环绕声效果,辅助数据输出等功能。还增加了I2C/PCM音频输出模块，串并行接口模块（USB，SPI，IDE），以及其他的外存储器接口模块。AT89C51SND1C芯片包括8个功能块： (1)MP3音频解码器：AT89C51SNDlC可实时解码MP3数据为PCM音频数据，同时也支持MP3其他频率。解码器也支持其它特性如声音控制、低音放大、辅助数据提取等(2)音频输出接口：允许音频解码位流以不同的格式输出。(3)通用串行总线(USB)接口：支持USB存储类的MP3音频解码文件下载；支持USB固件类升级的在系统编程。(4)外插闪存卡接口：该接口适应多媒体卡模式的2.2规范允许移动闪存卡上音频解码文件的存储，这样在应用时可轻易地插入和拔除，此接口亦可用于在系统编程。(5)IDEATAH接口：该接口允许C2LROM读卡机、压缩闪卡、硬盘等驱动设备的连结。由一个具有低电平ANSI规范的16位双向总线部分组成，具有多存储接口，但只能用于连接C2LROM时的在系统编程。(6)串行外设接口：支持主模式和从模式，具有以下功能：MP3音频解码文件存储到数据闪存的接口；主机远程控制芯片。 (7)双线控制器：支持4个标准的主模式和从模式，多主性能。具有以下功能：从设备如LCD控制器、音频DAC的连接；主机远程控制AT89C51SNDlC芯片及在系统编程。(8)AD控制器：2道10位模数转换具有电源管理、录音等功能。（2） 存储系统设计AT89C51SNDl芯片具有64K字节的闪存程序空间和4K字节引导闪存以及2304字节的RAM存储器，利用微处理器核对数据流和MP3解码器进行控制，其中地址从F000FFFF的区域为4K字节的BootFlash,这部分程序是出厂时已经固化的BootLoader代码,它使用DFU(Device Firmware Update设备固件升级)协议来更新芯片FLASH存储器中的用户程序。芯片上电后即执行BootLoader,支持USB接口在线下载固件,这样,不需要硬件烧写器便可下载目标代码到芯片,降低了芯片开发的投资。AT89C51SNDl芯片用两种不同的空间提供数据内存访问。内部空间被映射成3个独立的段：低128B RAM段、高128B RAM段、扩展的2048B RAM段；外部空间。在这里外部RAM扩展我选择了32KB的SRAM芯片HY62WT08081E,存储空间的分配如表3.1所示：表 3.1 SRAM存储空间地址分配地址范围说明0000h-07FFh内部扩展SRAM 0800h-7FFFh外部扩展SRAM表 3.2 ROM存储空间地址分配地址范围说明0000h-EFFFh用户程序空间 F000-FFFFhBoot Flash外存储采用闪存K9F5608，它共有8个I/O引脚，另外有指令锁存允许线、地址锁存允许线、芯片启用线、读激活线、写激活线、就绪/忙碌输出线、输出缓冲区电源线、设备电源线。K9F5608闪存拥有32MB存贮量。它在数据写入和数据读出的时候使数据在I/O缓冲区与存储区之间传递。K9F5608闪存采用8位I/O线复用方式。当CE信号线为低电平时，激活WE信号线（即WE为下降沿），则指令，数据，地址都是由8条I/O线写入。数据锁存是在WE的上升沿。通过复用8条I/O线，数据，地址，指令分别由CLE，ALE控制传输。由于K9F5608闪存拥有32MB的存贮量，所以需要24条地址线。所以需要3个总线周期寻址。这三个周期分别为行周期，低列周期，高列周期。对层（page）的读操作和程序操作由于需要指令的输入所以也需要3个周期。在块的擦写中，需要2个周期。（3） 键盘设计AT89C51SND1C芯片已经提供了完善的键盘接口，引脚为KIN0、KIN1、KIN2、KIN3。在这里我直接借用它的键盘接口，直接将开关按键接入到这四个引脚，分别作为STOP、FFW、REW、PLAY/PAUSE按键。（4） D/A转换和音频处理设计由于AT89C51SND1C中只带有MP3解码模块，所以需要对MP3解码出来的数字信号进行D/A转换得到模拟信号，然后经过伴音处理芯片TDA7050,输出到耳机。D/A转换芯片我选用的是CS4330。这个芯片工作电压为3V或者5V，所以电源提供的3.3V电压并不能完全满足它的要求，这里我加上两个电容C37(0.1uF)和C38(10uF)进行处理，给CS4330提供稳定的电压。AT89C51SND1C的DOUT引脚直接接到CS4330芯片的SDATA引脚。TDA7050芯片进行伴音处理，它的最大电压为6V，正常输入电压为3V，这里分别将CS4330的AOL,AOR两个引脚输入接到芯片的IN1-和IN2-两个引脚，芯片处理后，输出OUT1和OUT2为左右声道的声音。电路原理图如下所示：图3.1 D/A转换和音频处理电路图（5） 电源设计使用Max1677芯片进行电压转换,将两节七号干电池电压升至3.3V。连接USB口处:用AS117把5V电压降至3.3V,并保证3.3V电压的输出。电源设计图如下所示：图3.2 电源设计图（6） 中断分配AT89C51SND1C芯片内部集成了很多功能部件，也提供了完善的中断机制，表3.2是中断系统信号表，表3.3是本系统用到的中断的中断优先级和中断向量表。表3.3 中断系统信号信号名称描述选择引脚INT0外部中断0P3.2INT1外部中断1P3.3KIN3:0键盘中断输入P1.3:0表3.4 中断优先级和中断向量表中断名优先级中断向量INT01（最高级）C:0003hTimer 02C:000BhINT13C:0013hTimer 14C:001Bh串口5C:0023hMP3解码器6C:002Bh音频接口7C:0033h双线控制器9C:0043hA/D转换11C:0053h键盘12C:005BhUSB14C:006Bh（7） RS232接口电路AT89C51SND1C芯片内部集成了UART,在这里我选用了MAX232CWE芯片。数据由PC机A的串口RS232发出，经MAX232电平转换后，送入芯片。在芯片中，先由扩展串口UART接收数据，经内嵌8051的控制处理。图3.3 RS232电平转换电路设计4、 软件系统设计主要使用51系统单片机中所使用的C语言来实现MP3源程序设计。没有实时操作系统的支持。可以利用单片机开发软件Keil软件方便开发mp3播放器，无需特殊软件平台。具有U盘功能的MP3程序由两大部分组成:MP3播放功能和USB通讯功能。(1)MP3播放功能MP3播放功能模块的工作分为两个部分:第一部分是循环播放MP3歌曲,该功能需要首先做一些初始化工作,MP3解码器一旦开始工作,就会一直向CPU请求数据,直至歌曲结束,只有通过键盘操作才会使该功能提前结束。因为MP3文件的数据量较大,在flash存储器内是以页为单位进行存储的,所以MP3的播放程序初始化就是要把该文件的首地址和页数先读出到CPU中,然后CPU可以根据如上数据进行取数据工作。第二部分则一直在等待中断发生,该程序是与键盘结合起来的,主要用于使用者对播放过程的控制。键盘操作对MP3播放过程的控制还包括后退、跃进、跳到下一首、音量控制等。因为整个播放过程的键盘控制功能比较单一,没有键的复合操作,所以程序都很容易实现。歌曲播放器程序要与键盘和LCD配合起来设计。程序流程大概可分为：硬件初始化获取U盘中mp3歌曲列表歌曲播放和LCD显示。MP3播放器部分主流程图如图4.1所示。歌曲播放和LCD显示是程序的核心部分。主处理器和LCD从处理器之间通过串口进行通信，以达到歌曲播放与歌词显示的同步以及键盘操作状态的及时刷新。其程序流程图如图4.2所示。 (2)USB通讯功能主处理器让USB海量存储设备在批量传输方式下工作，这样共需要3个端点。0端点：控制端点。用于控制传输，PC机通过与端点0相对应的管道来读取设备描述符，完成对设备地址的设置，并完成配置。此端点为双向数据传输端点。两个非0端点：批量传输端点。这种端点为单向数据传输端点，分别为批量输入端点和批量输出端点。主处理器通过一个端点中断寄存器（UEPINT）和PC机通信。如果某个端点完成了相应的操作，就会引发中断。USB主程序结构框架流程图如图4.3所示。开始Flash复位MP3初始化键盘和LCD初始化EA=1开中断获取歌曲信息是否处于播放状态播放当前歌曲播放器停止是否图4.1 MP3播放器部分主流程图开始从U盘中查找当前歌曲歌词文件，传给LCD从处理器从处理器接收文件，查找字库将歌词转换成LCD显示格式，作歌词与显示时间映射表MP3解码器开始工作，键盘响应中断，LCD同步显示歌词和状态歌曲结束，准备播放下一首图4.2 歌曲播放程序流程图开始USB控制器初始化端点初始化读取UEPINT状态端口0是否产生中断是端口1是否产生中断端口0是否产生中断否否是是处理标准USB请求否处理Bulk-In端点请求处理Bulk-Out端点请求UEPINT清零图4.3 USB主程序结构框架主流程图(3)文件管理功能因为该系统还要具有U盘的功能,所以存储器中的文件还要能够让计算机读写和识别,也就是所有的文件还要严格满足计算机文件系统格式的要求。在所有计算机文件系统中,FAT是比较常用的一种。一个FAT文件系统卷由4个部分组成:保留区、FAT区、根目录区、文件和目录数据区。其中保留区中的第一个分区必须是BPB,也称作“引导扇区”,因为它含有对文件系统进行识别的关键信息,计算机将以此信息识别存储器文件格式,因此十分重要。FAT区存放的是文件分配表。操作系统的存储空间是按簇来分配的,簇是操作系统分配的最小存储单元,每个簇在FAT表中占据一个16位的位置,称为一个表项。同一个文件的数据并不一定存放在存储区的一个连续的区域内,往往会分成若干段,像一条链子一样的存放,这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储,必须准确地记录哪些簇已经被占用,还必须为每一个已经占用的簇指明后继内容的下一个簇的簇号,对于一个文件的最后一个簇,则要指明本簇没有后继簇,这些就是由FAT表来存储的。根目录区存放的是目录项,每个目录项为32个字节,记录一个文件或目录的信息。目录项所占的空间与目录项的个数有关。文件和目录数据区是真正存放文件数据的位置,所有数据都按照以上信息分配存储的。其中比较重要的数据结构设计如下所示：struct BootSecFAT16Str /引导扇区FAT16扩展结构BYTEBS_DrvNum;BYTEBS_Reserved1;BYTEBS_BootSig;DWORDBS_VolID;charBS_VolLab11;charBS_FilSysType8;struct BootSecFAT32Str /引导扇区FAT32扩展结构DWORDBPB_FATSz32;/FAT32扇区总数WORDBPB_ExtFlags;WORDBPB_FSVer;DWORDBPB_RootClus;/根目录开始的簇WORDBPB_FSInfo;WORDBPB_BkBootSec;charBPB_Reserved12;BYTEBS_DrvNum;BYTEBS_Reserved1;BYTEBS_BootSig;DWORDBS_VolID;charBS_VolLab11;charBS_FilSysType8;struct BootSecStr/引导扇区结构BYTEBS_jmpBoot3;BYTEBS_OEMName8;WORDBPB_BytesPerSec;/每扇区字节数512BYTEBPB_SecPerClus;/每簇扇区数1 2 4 8 16 32 64 128WORDBPB_RsvdSecCnt;/保留扇区数0x20BYTEBPB_NumFATs;/FAT表个数2WORDBPB_RootEntCnt;WORDBPB_TotSec16;BYTEBPB_Media;WORDBPB_FATSz16;WORDBPB_SecPerTrk;WORDBPB_NumHeads;DWORDBPB_HiddSec;DWORDBPB_TotSec32;unionFATUnistruct BootSecFAT32StrF32;struct BootSecFAT16StrF16;FAT;struct DPTStr/分区表结构BYTEBootFlag;BYTECHSBegin3;BYTETypeCode;BYTECHSEnd3;DWORDLBABegin;DWORDCntSec;struct FAT32FSInfoStr/FAT32扩展信息结构DWORDLeadSig;BYTEReserved1480;DWORDStrucSig;DWORDFreeCount;DWORDNxtFree;BYTEReserved212;DWORDTrailSig;struct FAT32SDirStr/FAT目录结构 短文件名CHARName11;BYTEAttr;BYTENTRes;BYTECrtTimeTenth;WORDCrtTime;WORDCrtDate;WORDLstAccDate;WORDFstClusHI;WORDWrtTime;WORDWrtDate;WORDFstClusLO;DWORDFileSize;struct FAT32LDirStr/FAT目录结构 长文件名BYTEOrd;BYTEName110;BYTEAttr;BYTEType;BYTEChksum;BYTEName212;WORDFstClusLO;BYTEName34;struct FAT32Str/FAT32参数表BYTEClusSecCnt;/当前簇扇区计数DWORDCurrentDirectory;/当前目录入口（簇号）BYTESecPerClus;/每簇扇区数1 2 4 8 16 32 64 128WORDRsvdSecCnt;/保留扇区数0x20BYTENumFATs;/FAT表个数2DWORDRootClus;/根目录开始的簇DWORDClusSec;/簇开始的扇区DWORDFATSz;/FAT表大小（扇区）DWORDFATSec;/FAT表开始扇区DWORDFSISec;/FSI所在扇区DWORDFSIFreeCount;/空闲簇数DWORDFSINxtFree;/空闲簇搜索指针;struct FCBStrCHARFileName12;/文件名DWORDSize;/文件大小DWORDFirstCluster;/第一个簇DWORDLastCluster;/最近一次读到的簇号DWORDClusSecCnt;/当前簇扇区计数DWORDByteCnt;/当前字节计数;struct FATStrDWORDSector;DWORDFAT128;5、 课程设计总结一个嵌入式系统的设计是一个很艰巨的工程，本次课程设计虽然进行了2个多月，但是我仍然感觉到时间很仓促，前期的硬件知识了解花了很多时间，走了很多弯路。由于条件的限制，我并没有亲手将这些硬件的设计实现，所有的一切都是在纸上谈兵，软件的设计也是凭空想象，在参考了许多设计资料之后，我终于完成了这篇关于嵌入式MP3播放器设计的论文。对于这篇论文，我本人的实在很难满意，从硬件的设计角度来说，我所选用的芯片都是集成度很高的芯片，市面上用的很多的芯片，当然这并不是什么错误，可是这也局限了我的思维，我始终很难脱离传统的MP3设计，这里的MP3设计已经是2，3年前的技术了，几乎没有加入自己的创新，参考了比较成熟的方案。而软件的设计部分，虽然程序的流程我大体明白，可是没有动手实际的去做过一个程序，这实在难以服人，不动手永远也不知道问题的关键到底在那里。虽然上面的话反映出我这篇论文的许多不足，不过我不得不说通过这次嵌入式系统设计课程的学习，我掌握了很多硬件知识，懂得了很多以前我不知道，或者不是很明白的问题，了解了当前实时操作系统设计的一些调度算法，这对我今后的发展很有帮助。在这里提个建议，如果以后的嵌入式系统设计课程中，能有条件真正让参与课程学习的人做真实的项目，我想那将对嵌入式系统设计的学习有很大的促进。另外，对于嵌入式系统设计教材的编写，我想就满足大多数人来说，应该侧重于软硬件结合的部分，在讨论一个嵌入式系统时，要将两方面结合起来，软件部分和硬件部分在一个嵌入式系统中的地位，它们是如何配合工作的，我们在设计一个系统时，应当怎样考虑硬件部分与软件部分的分工问题。以上是我通过学习嵌入式系统设计课程的体会，在此我也要感谢曹老师，是曹老师的认真负责让我从这门课程中学到了嵌入式系统设计的知识，掌握了嵌入式系统设计的方法，这为我以后更深入的学习打下了良好的基础。6、 硬件系统电路图硬件系统的电路原理图采用Protel99SE绘制。详细的电路原理图见论文后的附录。