基于ISP1362的U盤MP3播放器設(shè)計(jì)

摘  要：本文使用AT89C51SND1作為主控制器和MP3解碼器，ISP1362作為USB主機(jī)，將U盤中的MP3文件讀取出來并進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)了MP3播放器中解碼單元與存儲(chǔ)單元的分離。
關(guān)鍵詞：AT89C51SND1C；ISP1362；U盤；MP3播放器

    播放器與存儲(chǔ)器的一體化設(shè)計(jì)對(duì)MP3播放器的便攜性起了關(guān)鍵性的作用，但與此同時(shí)，它又帶來了很多新的問題。比如存儲(chǔ)容量固定，如果想裝下更多的歌曲只能去購買新的產(chǎn)品，造成了巨大的浪費(fèi)。另一方面，一體化又限制了MP3播放器在其它領(lǐng)域的應(yīng)用，比如汽車電子等。于是，將存儲(chǔ)器與播放器分離，成為MP3的另一發(fā)展方向，也是開發(fā)這款U盤MP3播放器的意義所在。

主要芯片簡(jiǎn)介
    AT89C51SND1是ATMEL推出的基于8位C51 MCU內(nèi)核的MP3解碼器芯片。它內(nèi)置MP3硬件解碼器，支持48kHz、44.1kHz、32kHz、24kHz、22.05kHz及16kHz采樣頻率，具有重低音、中音、高音均衡控制和重低環(huán)繞聲效果。它可以適應(yīng)市場(chǎng)上不同DAC的可編程音頻輸出接口，兼容PCM和I2S格式。內(nèi)置2304B RAM和64KB Flash程序空間，方便用戶增加復(fù)雜的功能。并通過內(nèi)置鎖相環(huán)提供MP3和音頻時(shí)鐘以及USB時(shí)鐘。

   要想讀取U盤，USB主機(jī)控制器必不可少。為了將來進(jìn)一步升級(jí)系統(tǒng)，本文選用了功能強(qiáng)大的USB－OTG芯片ISP1362。ISP1362在單芯片上集成了OTG控制器、高級(jí)主機(jī)控制器和外設(shè)控制器。ISP1362的OTG控制器完全兼容USB2.0以及On-The-Go
Supplement 1. 0協(xié)議，主機(jī)和設(shè)備控制器兼容USB 2. 0協(xié)議，并支持12Mbps的全速傳輸和1.5Mbps的低速傳輸。

圖1  系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    整個(gè)系統(tǒng)的搭建圍繞AT89C51SND1進(jìn)行，如圖1所示。由于其內(nèi)部具有硬件解碼器，因此電路構(gòu)成并不復(fù)雜。首先由單片機(jī)控制ISP1362，將U盤中的MP3文件讀取出來，送到硬件解碼器進(jìn)行解碼。解碼之后由數(shù)字音頻接口將數(shù)字信號(hào)傳送至音頻DAC CS4330，轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生音頻信號(hào)。由于DAC輸出的信號(hào)功率有限，在后端又加入了運(yùn)算放大器，經(jīng)過放大之后的信號(hào)就可以直接輸出給音箱或耳機(jī)等設(shè)備了。

    AT89C51SND1是基于51內(nèi)核的單片機(jī)，因此，最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。除了傳統(tǒng)單片機(jī)的晶振和復(fù)位電路之外，還有PLL濾波電路和USB接口電路，如圖2所示。

 圖2  PLL濾波電路及USB接口電路

    ISP1362是16位總線結(jié)構(gòu)，不能直接和8位單片機(jī)接口。因此，將單片機(jī)的P0和P2口一同作為數(shù)據(jù)總線接至ISP1362的16位總線上，將   、、分別接到單片機(jī)的P3.4、P3.7和P3.6，通過仿真讀寫時(shí)序控制它的數(shù)據(jù)讀取等操作。

    除了這些基本的總線連接，ISP1362還需要連接一些特殊的控制引腳：
    A0：用于決定控制器處于命令狀態(tài)還是數(shù)據(jù)狀態(tài)：0表示數(shù)據(jù)狀態(tài)，1表示命令狀態(tài)；

    A1：用于決定控制器工作于主機(jī)還是設(shè)備控制模式：0表示處于主機(jī)控制(HC) 模式；1表示處于設(shè)備控制(DC) 模式。

    接至MCU的P1.5。P1.5＝0時(shí)表示處于OTG工作狀態(tài)，P1.5＝1則表示處于非OTG狀態(tài)。

    INT1_USB、INT2_USB分別接至MCU的INT0和INT1引腳，用以產(chǎn)生中斷。

    ISP1362有兩個(gè)USB端口，分別是OTG端口和主機(jī)端口。因?yàn)镺TG端口包含了主機(jī)功能，所以系統(tǒng)中使用OTG端口來連接U盤。根據(jù)USB2.0協(xié)議，USB主機(jī)需要2個(gè)15k降TG端口同時(shí)又可作為設(shè)備端口使用，而設(shè)備是沒有下拉電阻的。因此ISP1362提供了“軟連接”機(jī)制，通過內(nèi)部的寄存器來控制電阻的連接與否。所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)并不需要在外部加下拉電阻。而 為開漏輸出，因此加入了一個(gè)10kW的上拉電阻R14_USB。如圖3所示。

圖3  OTG端口電路圖

AT89C51SND1C及ISP1362的初始化
    在開始播放MP3文件之前，需要一系列初始化操作。這些操作是通過設(shè)置AT89C51SND1C及ISP1362內(nèi)部的相關(guān)寄存器來完成的。

AT89C51SND1C的初始化
    為了正常播放MP3文件，首先要對(duì)主控制器AT89C51SND1C進(jìn)行以下幾方面的設(shè)置。

鎖相環(huán)初始化
    MP3解碼器和音頻輸出接口使用的都是內(nèi)部鎖相環(huán)提供的時(shí)鐘。鎖相環(huán)的初始化是通過設(shè)置PLLCON、PLLNDIV和PLLNDIV來完成的。其輸出頻率的計(jì)算公式為：PLLclk=OSCclk×(R+1)/(N+1)。

MP3解碼器初始化
    MP3解碼器的初始化需要對(duì)MP3CON和MP3CLK進(jìn)行設(shè)置。MP3解碼器分缺少數(shù)據(jù)中斷和校驗(yàn)中斷兩類中斷，在MP3CON中可以對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。簡(jiǎn)單處理可以采用查詢標(biāo)志位方式，避免使用中斷。MP3解碼器對(duì)時(shí)鐘有一定的要求，MPEG I格式的MP3數(shù)據(jù)要求最低時(shí)鐘為21MHz，MPEG II格式為10.5MHz。該時(shí)鐘計(jì)算公式為：MP3clk＝PLLclk/(MPSD4:0＋1)。

音頻輸出接口初始化
    得到兩個(gè)聲道串行數(shù)據(jù)前需先對(duì)音頻輸出接口的AUDCON0和AUDCON1中的相關(guān)部分進(jìn)行正確的設(shè)置。配合DAC芯片CS4330，其設(shè)置如下：輸出32位數(shù)據(jù)格式(DSIZ＝1)，聲道選擇信號(hào)中的高電平為左聲道(POL＝1)，選擇256·Fs的數(shù)據(jù)速率(HLR＝0)，選擇MP3解碼器的輸出為數(shù)據(jù)源(SRC＝0)，18位數(shù)據(jù)右對(duì)齊(JUST4:0＝14)。為了聽到正常的聲音，還需根據(jù)MP3的采樣率設(shè)置MP3CLK來得到正確的音頻輸出接口的時(shí)鐘，該時(shí)鐘的計(jì)算公式為：AUDclk＝PLLclk/(AUCD4:0＋1)。

按鍵初始化
    要實(shí)現(xiàn)播放MP3的人機(jī)交互功能，就需要鍵盤的支持，AT89C51SND1C專門提供了4個(gè)中斷的按鍵接口，當(dāng)這些中斷被使能后就可以簡(jiǎn)單地通過讀取KBSTA得到按鍵的狀態(tài)。按鍵初始化的時(shí)候只需要在KBCON開啟相應(yīng)接口的中斷，再開啟總中斷的EA即可。

ISP1362的設(shè)置
    為了能正確地從U盤中讀取MP3文件，首先要對(duì)USB控制芯片ISP1362進(jìn)行以下幾方面的設(shè)置。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的劃分
    ISP1362內(nèi)部有4KB的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可劃分為4部分以供USB的四種傳輸方式使用。其中同步傳輸為雙緩沖，占用ISTL0和ISTL1，一般二者大小是一樣的。中斷傳輸占用INTL?？刂苽鬏敽蛪K傳輸共用ATL。分別通過HcISTLBufferSize 、HcINTLBufferSize和HcATLBufferSize 來設(shè)置ISTL、INTL和ATL的大小。

中斷的設(shè)定
    這里的中斷并不是指USB中的中斷傳輸，而是傳統(tǒng)意義上的硬件中斷。如果不使用中斷，則應(yīng)該將其關(guān)閉，具體操作為將HcuPInterruptEnable置0，而 HcInterruptDisable中所有位都置1。

ATL 緩沖的設(shè)定
    控制傳輸是任何USB設(shè)備都有的數(shù)據(jù)傳輸類型，而在ISP1362中，它占用的是ATL緩沖區(qū)，因此對(duì)ATL 緩沖的設(shè)定是必不可少的。具體的操作是設(shè)置以下幾個(gè)寄存器：HcATLPTDSkipMap、HcATLLastPTD、HcATLBlkSize、HcATLPTDDoneThresholdCount和HcATLPTDDoneThresholdTimeOut。

其它相關(guān)寄存器
    ISP1362還有一些關(guān)于硬件的設(shè)置，比如端口設(shè)定以及過流保護(hù)等。除此之外，還需要確定一個(gè)幀所發(fā)送的最大數(shù)據(jù)量等信息，這些操作通過設(shè)定HcHardwareConfiguration和HcFmInterval兩個(gè)寄存器完成。

讀取U盤
    U盤在使用USB傳輸時(shí)使用的是塊傳輸方式，操作相對(duì)比較復(fù)雜。除了最基本的USB協(xié)議之外，還需要實(shí)現(xiàn)許多其它相關(guān)協(xié)議，比如Mass Storage、Bulk-Only、SCSI－2、UFI等。但對(duì)USB接口芯片ISP1362而言，需要完成的僅是按照協(xié)議規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。

相關(guān)描述符和設(shè)置
    U盤一般使用Mass Storage協(xié)議進(jìn)行通信。然而在使用Mass Storage協(xié)議通信之前，應(yīng)首先關(guān)注傳輸協(xié)議和U盤的端點(diǎn)描述符。

    Mass Storage中的傳輸協(xié)議常用Bulk_Only，然而在這種傳輸方式下又可分多種指令集，而U盤常用SCSI指令集。 Bulk_Only的傳輸方式在通信時(shí)應(yīng)首先讀取端點(diǎn)描述符來獲取Bulk_In和Bulk_Out這兩個(gè)端點(diǎn)號(hào)，之后才能進(jìn)行USB的正常通信。

FAT文件系統(tǒng)
    由于現(xiàn)在U盤的容量普遍較大，對(duì)U盤的操作往往都是按塊來進(jìn)行的，其大小一般均為512B。但實(shí)際U盤上的數(shù)據(jù)是以文件系統(tǒng)的方式來存儲(chǔ)的，目前U盤常用的文件系統(tǒng)有FAT16和FAT32。而這兩種文件系統(tǒng)在很多內(nèi)容方面都是相同的，因此，在實(shí)際訪問中可以對(duì)其簡(jiǎn)單的區(qū)分，然后分別進(jìn)行不同的操作，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同文件系統(tǒng)的U盤進(jìn)行訪問，提高通用性。

播放MP3文件
    播放一個(gè)MP3文件需要經(jīng)過以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：解析U盤的文件系統(tǒng)，獲取MP3文件的信息，從U盤中讀取指定的MP3文件，將文件中的數(shù)據(jù)送至AT89C51SND1C內(nèi)嵌的MP3解碼器，解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)音頻輸出接口調(diào)整格式后輸出兩個(gè)聲道的串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過DAC芯片CS4330將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后經(jīng)集成運(yùn)放MC33202將信號(hào)放大輸出。

初始化相關(guān)芯片
    對(duì)主控器AT89C51SND1C和USB接口芯片ISP1362的初始化是至關(guān)重要的，除了上述一些需要初始化設(shè)置的地方，還應(yīng)注意單片機(jī)和ISP1362復(fù)位要同步。另外還應(yīng)對(duì)MP3解碼器音量控制的相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，默認(rèn)情況下它們都是0，即處于靜音狀態(tài)。

獲取MP3文件中的數(shù)據(jù)
    從U盤中獲取MP3文件是一個(gè)相對(duì)煩瑣的過程，首先應(yīng)能按照USB的相關(guān)協(xié)議讀取U盤上指定塊的數(shù)據(jù)，之后還要根據(jù)得到的數(shù)據(jù)解析文件系統(tǒng)，從而得到指定MP3文件的起始?jí)K地址，然后通過查FAT表的方法得到后繼的數(shù)據(jù)。并且還應(yīng)將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在AT89C51SND1C內(nèi)部開設(shè)的數(shù)據(jù)緩存中，等待MP3解碼器缺少數(shù)據(jù)時(shí)使用。由于MP3解碼器內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存較小，因而就要求獲取MP3文件數(shù)據(jù)的時(shí)間要盡可能的少，這就需要該部分的代碼要盡量精簡(jiǎn)。

MP3解碼器解碼
    啟動(dòng)MP3解碼器之前應(yīng)先對(duì)讀取來的MP3數(shù)據(jù)的幀頭進(jìn)行解析，根據(jù)解析得到的采樣率設(shè)置音頻輸出接口的時(shí)鐘。從U盤中讀取的數(shù)據(jù)也應(yīng)先暫存在AT89C51SND1C內(nèi)部開設(shè)的數(shù)據(jù)緩存中，開始播放之前需要先通過MP3DAT向MP3解碼器的數(shù)據(jù)緩存中送滿1KB的數(shù)據(jù)，之后待MP3解碼器出現(xiàn)缺少數(shù)據(jù)的狀態(tài)(MP3STA1寄存器中的MPFREQ＝1)，再將AT89C51SND1C內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)寫入MP3解碼器中。當(dāng)數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)全部用完后，就應(yīng)立即再次讀取U盤，如此往復(fù)直到整個(gè)MP3文件都播放完畢為止。
　　
結(jié)語
    本系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)U盤的識(shí)別和讀取，突破了傳統(tǒng)MP3播放器中解碼器與存儲(chǔ)器一體化的限制，只需使用更大容量的U盤就可以在原有硬件基礎(chǔ)上增加存儲(chǔ)容量，在音響和汽車電子方面具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)
1. Atmel Corporation. Single-Chip Flash Microcontroller with MP3 Decoder and Human Interface, 2003
2. Philips Electronics. ISP1362 Single-Chip Universal Serial Bus On-The-Go controller, 2004
3. USB Implementers Forum, inc. On-The-Go Supplement to the USB 2.0 specification Revision 1.0a, 2003