AT89C51SND1C單片機(jī)的MP3播放器設(shè)計

徐陽，徐愛鈞

（1.長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，荊州434023；2.長江大學(xué) 電子信息學(xué)院）

引 言

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

正是由于MP3音樂的較小數(shù)據(jù)量和近似完美的播放效果，使得以MP3為后綴的音樂文件在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。當(dāng)前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單片機(jī)的MP3播放器設(shè)計方案。

1 MP3編碼簡介

MP3是MPEG Layer III（第3層音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)）的縮寫，圖1為MP3編碼器內(nèi)部原理框圖。它是一種超級聲音文件的壓縮方法，其數(shù)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 Layer1、MPEG Layer2和MPEG Layer3，其中MP3具有最高的壓縮比12∶1。在一般沒有壓縮數(shù)據(jù)的情況下，音頻被數(shù)字化時，采樣頻率必須為實際聲音最高頻率的2倍以上。

圖1 MP3編碼器內(nèi)部原理框圖

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(shù)據(jù)量將超過1.4 Mb；而采用MP3壓縮，數(shù)據(jù)量可以縮小到1/12，音質(zhì)卻沒有損失。如果再進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)量到1/24或者更多，依然可以維持相當(dāng)好的音質(zhì)，比起通過降低采樣頻率、縮短采樣深度的方法要好得多。

2 MP3播放器設(shè)計

對于便攜式MP3系統(tǒng)，主要考慮的是其體積小巧、低功耗、高容量、低價格。當(dāng)前流行的 MP3播放器主要包括：單片機(jī)控制系統(tǒng)、大容量移動存儲設(shè)備、MP3解碼器、D/A轉(zhuǎn)換芯片、音頻放大電路、USB接口、LCD顯示和鍵盤電路等，其基本工作原理如圖2所示。通過USB接口把Flash存儲器上的MP3、WMA等格式的數(shù)字音樂文件送到單片機(jī)內(nèi)部集成的解碼芯片進(jìn)行解碼，這些音樂文件經(jīng)解碼后成為數(shù)字信號，然后音頻DAC通過D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號，再通過功率放大器進(jìn)行音頻放大，最后通過耳機(jī)輸出音樂。

圖2 MP3播放器的主要結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)一個MP3播放器功能，由于涉及文件傳輸和存儲問題，所以附帶需要實現(xiàn)USB存儲器功能。整 個 系 統(tǒng) 由 AT89C51SND1C（MCU）、K9F2808U0A（Flash芯片）、電源部分、音頻部分、串行通信部分和人機(jī)接口部分組成。

MCU部分：控制整個系統(tǒng)，提供USB控制和MP3解碼功能。FLASH芯片：存放整個系統(tǒng)文件。電源部分：提供系統(tǒng)工作需要的電源，包括一個升壓和一個降壓部分。音頻部分：把數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為聲音信號。人機(jī)接口部分：包括按鍵和LED指示等。USB接口部分：通過PC的USB接口進(jìn)行MP3文件的下載。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 控制器部分

AT89C51SND1C是Atmel公司專門針對MP3設(shè)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(nèi)核，集成了CPU和硬件解碼器，為MP3設(shè)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(tǒng)的耗電和發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度，抗干擾能力也顯著增強。需要注意的是，由于在系統(tǒng)中有MP3和USB傳輸?shù)雀哳l信號，為了避免噪聲對系統(tǒng)的影響，尤其是對音頻輸出信號的影響，所以在AT89C51SND1C的正負(fù)電源間需要加上一個RC濾波電路以消除電路中的噪聲。對于AVDD和UVDD的兩個模擬電壓和數(shù)字電源而言，兩者需要在數(shù)字地和模擬地處單點通過一個磁珠相連，以免數(shù)字電源和模擬電源之間相互影響。

2.1.2 音頻部分

音頻是整個系統(tǒng)中最為重要的一個部分，在把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程中容易產(chǎn)生噪聲，這個關(guān)系到MP3播放器聲音效果的好壞，本系統(tǒng)選擇的是CS4330芯片，CS4330能兼容48 KHz、44.1 KHz和32 KHz的音頻流。聲音數(shù)據(jù)通過串行輸入引腳SDATA輸入，左右輸入時鐘LRCK決定了左右聲道，而在串行輸入時鐘SCLK的驅(qū)動下數(shù)據(jù)被送入CS4330的數(shù)據(jù)緩存中，而主時鐘決定了數(shù)據(jù)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(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個引腳，這是由Flash本身特點所決定的。主芯片通過讀取R/B這個引腳來判斷Flash讀寫是否完成，如果正在讀寫，那么這個引腳為低電平，表示正忙；如果讀寫完成，該引腳電平變高，處于READY（準(zhǔn)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(hù)，用來在電源由于切換等造成不穩(wěn)定的情況下防止數(shù)據(jù)丟失。

2.1.4 人機(jī)接口部分

人機(jī)接口部分主要提供一個人和系統(tǒng)進(jìn)行信息交換的接口，包括鍵盤輸入、LED顯示以及串行口3個部分。鍵盤輸入提供給用戶選擇功能的能力、LED顯示系統(tǒng)現(xiàn)在的工作狀態(tài)，串行口可以方便開發(fā)過程中的調(diào)試，通過串口調(diào)試助手等工具，把系統(tǒng)運行的情況反饋到PC機(jī)的屏幕。

2.1.5 USB接口部分

一般通過PC的USB接口進(jìn)行MP3文件的下載，傳輸速率為12 Mbps。由于Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51SND1C芯片僅支持USB1.1技術(shù)規(guī)范，因此接口速度稍慢。但對于MP3播放來說，可以滿足需要。

2.2 軟件設(shè)計

MP3播放系統(tǒng)的軟件設(shè)計，按照模塊可以劃分為以下幾個部分：

◆Flash存儲部分：這是系統(tǒng)中的文件存儲系統(tǒng)，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(qū)動：USB驅(qū)動通信主要包括如何按照Windows 7中對USB移動硬盤的描述編寫設(shè)備的固件程序，以便操作系統(tǒng)對MP3系統(tǒng)的操作。

◆MP3解碼控制：控制系統(tǒng)中間的MP3解碼器把從Flash中取出來的MP3壓縮數(shù)據(jù)流解碼成音頻數(shù)據(jù)流，提供給音頻解碼接口。

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

◆其他部分：由提供人機(jī)接口的鍵盤掃描驅(qū)動、LED顯示驅(qū)動、數(shù)碼管驅(qū)動部分組成。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 MP3播放程序結(jié)構(gòu)

在主程序時，如果處于播放狀態(tài)，則調(diào)用Play MP3函數(shù)播放歌曲，直至播放到最后一首，在Play MP3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。程序進(jìn)入此函數(shù)以后，只有改變當(dāng)前歌曲的鍵盤操作才能使此函數(shù)提前結(jié)束，進(jìn)入下一首歌曲的播放。

MP3播放函數(shù)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，要做一些初始化工作；第二部分則一直在等待中斷發(fā)生。第二部分與鍵盤結(jié)合，以實現(xiàn)MP3播放過程中的用戶操作。MP3播放程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 MP3播放程序結(jié)構(gòu)框圖

2.4 人機(jī)接口程序結(jié)構(gòu)

當(dāng)執(zhí)行MP3程序的時候，需要通過按鍵操作來控制MP3歌曲的播放，每個鍵對應(yīng)一個鍵盤響應(yīng)函數(shù)：

①Func：功能切換。

②Next：向后。

③Previous：向前。

④PlayPause：播放/暫停。

人機(jī)接口流程圖如圖5所示。

圖5 人機(jī)接口流程圖

結(jié) 語

本文提出基于AT89C51SND1C單片機(jī)的MP3播放器的設(shè)計方案，MP3為取得較好的壓縮效果而采用相對復(fù)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(shù)據(jù)量都相當(dāng)龐大。MPEG Layer III解碼算法在AT89C51SND1C上驗證通過并獲得較好的效果，通過優(yōu)化后可流暢播放音樂。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(jī)上的USB接口進(jìn)行文件下載時，執(zhí)行U盤功能；否則程序執(zhí)行MP3功能。

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