基于STC單片機的MP3設計

張逸龍，姜亞民

（西華大學，四川 成都 610039）

基于STC單片機的MP3設計

張逸龍，姜亞民

（西華大學，四川 成都 610039）

文章完成了基于51單片機的音樂播放器的軟件設計，主要介紹了對SD所存儲的MP3格式的文件識別、提取以及音頻解碼程序實現(xiàn)的方法，通過與硬件調試表明所設計的音樂播放器可以通過按鍵選擇歌曲以及控制音量，聲音的播放可以通過揚聲器或耳機進行，基本實現(xiàn)了音樂播放器的功能。

單片機；音樂播放器；SD文件讀取；音頻解碼

1 系統(tǒng)方案設計

本設計的音樂播放器，有5個按鍵控制按鈕：下一曲、上一曲、播放/暫停、音量加、音量減。通過對按鈕的控制來實現(xiàn)對單片機要求播放的音樂，通過液晶顯示出當前的播放信息，并通過放大電路和音頻設備輸出聲音。必要時可調節(jié)音量的大小。硬件總體系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 硬件總體系統(tǒng)

本次的MP3播放系統(tǒng)是以STC12C5A60S2為控制核心，SD卡模塊、智能解碼芯片VS1003和播放器按鍵處理模塊，以及液晶顯示模塊組成。位于SD卡里面的MP3格式的媒體文件首先被讀取到單片機內存中，然后緊接著又被傳送到VS1003的解碼芯片里面等待進行解碼，被解碼以后的媒體文件信息被轉換成了模擬的音頻信號，最后模擬信號在揚聲器中被放大并輸出，最終形成了人們所聽到的音樂。但是由于此次設計所采用的單片機本身并不支持USB接口功能，所以微處理器便無法同電腦直接進行數(shù)據(jù)上的交換，因此就需要相應的存儲設備來作為這樣一個進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。除此以外設計中的其他部分所使用的芯片均是直接連接在普通I/O口上面。

2 硬件電路設計

2.1 STC12C5A60S2單片機

STC12C5A60S2/AD系列單片機是一種使用相當廣泛的單時鐘機器周期的單片機，與普通的8051單片機相比，它擁有如下特點：

（1）在晶振頻率相同的情況下，處理速度使普通51單片機的8～12倍。（2）還擁有一個8路10位的AD轉換器。（3）相較于51單片機，多了兩個定時器，而且還都兼有PWM功能。（4）在指令代碼方面則與51單片機相互兼容，可以說在代碼指令的編寫上，擁有十分優(yōu)良的可移植性。

2.2 按鍵控制電路

按鍵控制電路，當按鍵按下時接口接低電平，從而實現(xiàn)對音樂曲目的選擇控制。按鍵一實現(xiàn)下一曲更換，按鍵二實現(xiàn)上一曲更換，按鍵三來實現(xiàn)播放/暫停切換，按鍵四接通實現(xiàn)音量增大操作，按鍵五接通實現(xiàn)音量減小操作，接線如下所示。

2.3 音頻解碼芯片VS1003電路

VS1003芯片是一個MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器。它包含一個高性能，自主產(chǎn)權的低功耗DSP處理器VS_DSP4，工作數(shù)據(jù)存儲器，為用戶應用提供5 kb的指令RAM和0.5 kb的數(shù)據(jù)RAM。4個常規(guī)用途的I/O端口，一個UART，一個高品質可變采樣率的ADC和立體聲DAC，還有一個耳機放大器和地線緩沖器。VS1003通過一個串行接口來接收輸入的比特流，它可以作為一個系統(tǒng)的從機。輸入的比特流先被解碼，然后通過一個數(shù)字音量控制器到達一個18位過采樣多位ε-ΔDAC。通過串行總線控制解碼器。

2.4 SD卡電路

此次的智能音樂播放器設計是選擇的將SD卡來作為媒體文件的存儲介質，由于SD卡目前的存儲和使用技術較為成熟而且價格成本也比較低廉，所以將其用來存放待播放的MP3文件是十分明智的選擇。

SD卡數(shù)據(jù)傳輸分為SPI模式和SD模式，設計中采用SPI模式。SPI模式下SD卡只需接MISO，MOSI，CLK等7個引腳，而ATmega32單片機提供了相應接口，其標準電壓為5 V，SD卡的供電及接口標準電壓均為3.3 V，故設計了ATmega 32單片機與SD卡的電壓轉換電路，其原理如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件總體分析

VS1003解碼即VS1003譯碼程序，主要完成數(shù)字信號的采集、信號濾波等功能?？紤]到模塊化程序設計以及高內聚低耦合的原則，VS1003的解碼程序于是便分成了若干小模塊來進行設計。解碼程序的總體設計思路是解碼芯片VSl003通過同步串行總線SPI與微處理器進行命令和數(shù)據(jù)的傳輸。只要正確寫SPI相關寄存器就能輕松實現(xiàn)控制。VSl003的同步串行總線（SPI）接口擁有兩種工作模式：分別是兼容模式和新模式這兩種。將寄存器“SM_SDINEW”設置為1可以使VSl003處于新模式的工作狀態(tài)，此時設置SM_ SDISHARE為0，控制信號和數(shù)據(jù)信號的傳送會分別采用XCS和XDCS作為同步信號。在系統(tǒng)開始工作時，通過單片機的控制便將存放在SD卡里面的媒體文件信息送到VS1003中去，然后通過VSl003芯片解碼以及其內含的高質量的立體聲DAC和耳機驅動電路，實現(xiàn)MP3歌曲的播放功能。

圖2 ATmega 32單片機與SD卡的電壓轉換電路

3.2 VS1003模塊的MP3文件播放程序設計

系統(tǒng)上電啟動后，由單片機控制將存儲于SD中歌曲的MP3數(shù)據(jù)格式流信息通過CH375的USB接口芯片送入到VSl003芯片中，通過VSl003芯片解碼及其內含高質量的立體聲DAC和耳機驅動電路，實現(xiàn)MP3歌曲的播放，在按鍵的控制下，可實現(xiàn)對歌曲的選擇、音量增減等功能。VSl003的所有數(shù)據(jù)和控制命令均通過SPI總線接口實現(xiàn)。

要控制VS1003首先要實現(xiàn)的就是寫命令，它是控制實現(xiàn)成功的前提。關于通信接口部分，它是一種同步串行接口方式（SPI從機模式），它要求SCLK信號必須由外部電路產(chǎn)生，數(shù)據(jù)（SDATA）在SCLK的上升沿或下降沿時被寫入。

對VS1003的初始化與測試都通過后，就可以給它發(fā)送MP3文件。數(shù)據(jù)的寫入方法主要是看DREQ信號，在VS1003的FIFO能夠接收數(shù)據(jù)的時候輸出高電平。每次可以寫入32個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因為VS1003有32 Byte的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而DREQ變低時，單片機就要停止數(shù)據(jù)的發(fā)送。

一般一次讀一個扇區(qū)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往VS1003，由于VS1003有32Byte的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一次可以發(fā)32個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后檢測DREQ電平，當DREQ為高時送下一個32 Byte的數(shù)據(jù)，直到發(fā)完為止。DREQ為高表明VS1003可以接受新的數(shù)據(jù)，如果不考慮DREQ的狀態(tài)，直接連續(xù)地給VS1003發(fā)的MP3數(shù)據(jù)的話將會出現(xiàn)音樂斷斷續(xù)續(xù)的情況。

4 結語

MP3播放器在現(xiàn)在市場上已經(jīng)變得非常常見，從這個角度看，MP3的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)不是很樂觀。但是，微型存儲卡技術卻在飛速發(fā)展，而且，將存儲卡與MP3相結合的技術卻并不樂觀，因為在這方面字庫處理的方法還需要得到提升，當SD/MMC卡更換后，怎樣才能讓漢字字庫保持不變很難辦到。因此，這種基于SD卡的MP3播放器在現(xiàn)實中，仍然具有一定潛力。而且，它在被用作MP3的同時還可以用作存儲器。對于用戶來說，這無疑是一種新意、一種優(yōu)勢，值得去購買、體驗。由于它本身的小巧，還可以嵌入車載系統(tǒng)、家庭娛樂系統(tǒng)等設備中。如果能在這些方面加以應用，這種基于SD卡的MP3播放器還有很大潛力可供挖掘。

[1]范海紹，李方園.零起點學Proteus單片機仿真技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]智兆華，張鵬.USB接口芯片CH375的原理及應用[J].今日電子，2005（8）：74-75.

[3]董楊生.USB主機在嵌入式系統(tǒng)中的應用[J].嵌入式系統(tǒng)，2008（6）：22-25.

[4]袁衛(wèi)，黨紀源.基于單片機的MP3播放器設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011（4）：123-125.

[5]黃平平，吉榮廷，沈大鵬.基于CH375實現(xiàn)單片機讀寫U盤[J].現(xiàn)代電子技術，2006（18）：13-15.

Design of MP3 based on STC microcontroller

Zhang Yilong, Jiang Yaming
（Xihua University, Chengdu 610039, China）

This topic finishes the software design of the music player based on the 51 microcontroller. The paper mainly introduces the method of identification, extraction and audio decoding program to the storing the SD disk MP3, WMA or MIDI format file. At the same time the hardware debugging shows that the music player can select the songs and control the volume through the keyboard, at the same time through the screen display the song name. The sound can play through the speakers or headphones. The design basically realizes the function of music player.

microcontroller; music player; SD file read; audio decoding

張逸龍（1995— ），男，四川成都，本科；研究方向：軌道交通信號與控制。