基于雙核單片機(jī)的音樂播放系統(tǒng)的研究

繆賢浩 劉凱

摘 要：以基于雙核單片機(jī)AT89C51SND1C以及K9F5608U，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個MP3播放系統(tǒng)，該播放系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)mp3播放、歌曲信息顯示、歌曲選擇等功能，操作簡單方便，成本低、系統(tǒng)可靠、易于擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：MP3；單片機(jī)；AT89C51SND1C

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，MP3播放器已經(jīng)在大眾生活中越來越普遍?；趩纹瑱C(jī)的MP3播放器設(shè)計(jì)包含了很多當(dāng)今流行的技術(shù)。由于各種技術(shù)的誕生，MP3播放器設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)一個MP3播放器的功能，其中包括文件傳輸和存儲功能。為簡化設(shè)計(jì)，降低成本，整個系統(tǒng)主控CPU采用的是雙核AT89C51SNDIC，整個系統(tǒng)還包括K9F5608U，電源部分、音頻部分、串行通信部分和人機(jī)接口部分組成。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主控CPU自帶MP3解碼模塊，因此本設(shè)計(jì)主要硬件電路為音頻放大以及文件存儲模塊。

2.1 音頻模塊

本系統(tǒng)采用的芯片是CS4330，該芯片能夠支持48KHz，44.1KHz和32KHz的標(biāo)準(zhǔn)音頻數(shù)據(jù)。音頻數(shù)據(jù)通過SDATA引腳輸入，LRCK引腳控制著左右聲道以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的劃分，而SCLK為即將輸入懂啊緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)提供時鐘。CS4330沒有配置引腳，無需軟件配置。

CS4330的數(shù)據(jù)格式是右對齊的18位數(shù)據(jù)格式，支持內(nèi)部以及外部SCLK工作模式，且數(shù)據(jù)在SCLK信號的上升沿有效，可在軟件中通過配置AT89C51SND1C的音頻部件，確保正確工作。聲音信號將數(shù)字音頻信息送到芯片CS4330中，再通過TDA2822放大后進(jìn)入音頻輸出設(shè)備，電路如下圖所示。

2.2 文件存儲模塊

K9F5608U是Nand Flash芯片，韓國三星公司產(chǎn)品。這種Flash芯片被大量的應(yīng)用在存儲設(shè)備上，比如U盤、MP3、數(shù)碼相機(jī)等。因AT89C51SND1C沒有集成Nand Flash的訪問控制器，故只能用單片機(jī)I/O口來模擬該芯片的通信時序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的訪存。K9F5608U外圍電路圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，軟件可分為主程序、MP3、U盤控制等模塊，在U盤控制模塊中則有簡單的文件系統(tǒng)和Flash讀寫程序用于U盤的讀寫。通信模塊主要功能是用于調(diào)試為加強(qiáng)用戶體驗(yàn)，該系統(tǒng)還加入了LCD模塊顯示歌曲信息，鍵盤模塊用于切換歌曲。

系統(tǒng)從主程序啟動后，通過選擇單片機(jī)的P口中的一個二進(jìn)制位作為考察位，當(dāng)它的電平為高電平的時候進(jìn)入U盤模式，相反則為MP3播放模式。在需要進(jìn)行程序的調(diào)試時，需要借助通信模塊從串口輸出一些信息。

3.2 U盤控制模塊

U盤插入，主機(jī)得到U盤描述符后識別出U盤是支持bulk-only的海量存儲設(shè)備。于是兩者就通過bulk端點(diǎn)進(jìn)行通信，主機(jī)和設(shè)備的通信過程即傳輸定義好的數(shù)據(jù)包的過程。

對于一個USB海量存儲設(shè)備而言，必須支持三個端點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理。即：單0號端點(diǎn)和雙非0端點(diǎn)。在程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以采取中斷或者查詢的方式，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行速度的情況下，這里采用程序查詢的模式進(jìn)行，即：逐步查詢端點(diǎn)0、1、2是否產(chǎn)生中斷，若有則執(zhí)行相應(yīng)的操作。本設(shè)計(jì)中端點(diǎn)0、1、2分別用于處理標(biāo)準(zhǔn)的USB，Bulk-In以及Bulk-Out請求[1]。

3.3 MP3播放模塊

在每首MP3歌曲開始播放的時候，需要初始化MP3文件，即：從MP3文件的頭部提取采樣率等信息，通過設(shè)置，讓采樣率與MP3解碼器模塊中的時鐘相匹配。如果開始檢測到有標(biāo)簽ID3V2.3的標(biāo)簽頭，則獲得標(biāo)簽大小后將這些標(biāo)簽幀全部跳過，然后將幀頭讀取到內(nèi)存中，根據(jù)MP3幀頭的格式，分離出MPEG版本和采樣率標(biāo)識來，設(shè)置PLL時鐘來滿足MP3解碼器和音頻要求。

MP3歌曲的采樣率設(shè)置好以后，就播放該歌曲。在默認(rèn)情況下，播放完一首歌曲，主控程序會繼續(xù)播放下一首歌曲。

在MP3播放程序中，數(shù)據(jù)是從K9F5608芯片到存儲器然后再到解碼器的緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，因此，需要充分考慮到考慮到數(shù)據(jù)在傳輸過程中，程序的運(yùn)行時間要與數(shù)據(jù)傳輸時間相匹配的問題，也就是程序的執(zhí)行效率問題。實(shí)際上此類的程序的分析屬于按數(shù)據(jù)流程思考問題的例子。具體地說，不能因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行的效率不夠高導(dǎo)致MP3解碼器緩沖區(qū)填充的數(shù)據(jù)出現(xiàn)“斷點(diǎn)”，聲音緩沖區(qū)出現(xiàn)斷電，播放出來的mp3必然有“斷音”的情況出現(xiàn)，這就是因程序設(shè)計(jì)導(dǎo)致聲音雜亂的原因所在。為了保證不出現(xiàn)間斷的問題，需要保證MP3解碼的速率不能比填充到緩沖區(qū)的速率大，不能讓解碼這個步驟“停止工作”。具體到程序中，從SRAM緩沖區(qū)復(fù)制到MP3解碼器的時間要足夠短，能夠等待解碼器確認(rèn)信號，然后再進(jìn)行下次操作。在這個時間里可以處理例如鍵盤中斷服務(wù)程序設(shè)置標(biāo)志位的查詢與響應(yīng)，本程序中判斷是否暫停。

另外一方面，MP3解碼器也不能處于等待狀態(tài)。與上面的情況相反，在等待的過程中處理太多的事情，最后解碼器會出現(xiàn)等待的狀況，這樣也會影響到聲音的播放。另外的一點(diǎn)就是，由于每一級的數(shù)據(jù)的讀取都需要時間，從數(shù)據(jù)從FLASH中讀取的最初階段需要有一定的的提前量，不能出現(xiàn)解碼器要數(shù)據(jù)才開始讀的情況出現(xiàn)。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文對MP3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，并借助AT89C51SND1C芯片設(shè)計(jì)了一個MP3播放器為例，實(shí)現(xiàn)一個MP3播放功能。整個系統(tǒng)由AT89C51SND1C、K9F5608U，供電模塊、音頻處理模塊、串行調(diào)試模塊部分和其他輸入/輸出模塊組成。

以下是MP3播放器功能正在運(yùn)行，當(dāng)前Flash里面存放了四首歌，系統(tǒng)將會不斷地循環(huán)的播放這四首歌，并能調(diào)節(jié)音量，音調(diào)，曲目的切換操作。

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