一種基于DAB接收機的MP3播放器設(shè)計方案

摘要：提出了一種基于便攜式DAB(Digital Audio Broadcasting，數(shù)字音頻廣播)接收機的MP3播放器設(shè)計方案，并介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計思路。系統(tǒng)采用ARM7單片機作為系統(tǒng)控制器，利用SD卡存儲MP3文件，用ST公司的音頻解碼芯片STA013實現(xiàn)MP3解碼。數(shù)字語音信號通過D／A轉(zhuǎn)換器MAX9850轉(zhuǎn)換為模擬語音信號，由耳機輸出。
關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻廣播；STA013；SD卡；音頻解碼；MP3

引言
    近年來，數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting，DAB)憑借其音質(zhì)好，靈敏度高，頻譜利用率高等諸多優(yōu)點引起了國際通信廣播行業(yè)的關(guān)注，并取得了飛速的進展。廣電總局于2006年6月推出的《30～3000 MHz地面數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，不僅使DAB在我國有了標準的支持，更對DAB在全國的普及產(chǎn)生了重大而積極的影響?？紤]到便攜式MP3播放器在當(dāng)今社會的普及程度與消費者對其的依賴性，在DAB接收機中融合MP3解碼功能對消費市場的開拓是很必要的。本文在不改動一款DAB接收整機原有性能的基礎(chǔ)上，提出了一種適當(dāng)加入MP3解碼功能的可行性方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
1．1 DAB接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    DAB接收系統(tǒng)是基于重慶郵電大學(xué)微電子重點實驗室自主研發(fā)的一款名為ID200的基帶解碼芯片設(shè)計而成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。U3200具有面積較小、功耗極低等特性。MCU采用Atmel公司推出的AT91SAM7S64微處理器，該芯片具有64 KB片內(nèi)高速Flash存儲器、32個可編程的復(fù)用I／O、SPI和TWI等豐富的內(nèi)部集成資源，性價比較高。該接收系統(tǒng)的靈敏度在3波段與L波段能達到-97 dBm以上。MPEG L2音源解碼，支持48 kHz和24 kHz采樣頻率，自動識別聲道模式，支持單通道、雙通道、立體聲。

1．2 主要器件選擇
    考慮到DAB接收機的基帶解碼芯片尚未加入MP3解碼功能，以及生產(chǎn)成本、單片機速率、芯片成熟度等因素，采用了ST公司的STA013解碼芯片。該芯片具有以下特點：支持MPEG1、MPEG2與MPEG2．5格式解碼；支持立體聲、雙聲道、單聲道解碼；支持8～320 kbps的壓縮速率；串行位流輸入和PCM輸出接口，支持I2C總線；低功耗消耗，2．4 V時為85 mW；10 MHz、14．31818 MHz、14．7456MHz的外部輸入時鐘，或內(nèi)嵌工業(yè)標準XTAL晶振，以滿足不同頻率需求。
    由于STA013沒有DAC和耳機功放的功能，需選用DAC芯片，這里選用Maxim公司的MAX9850芯片。該芯片是一款低功耗、高性能的立體聲音頻DAC，集成了直接驅(qū)動耳機放大器，允許放大器輸出直接驅(qū)動耳機，無需 大量隔直電容，可節(jié)約成本和布線空間，同時還提供了I2C總線和PCM輸出接口。
    考慮到便攜式整機的開發(fā)與存儲器的普及程度，本方案選用MicroSD卡作為音頻數(shù)據(jù)存儲單元。MicroSD卡體積超小，卻擁有著傳輸速度高、移動靈活性強、安全可靠的諸多優(yōu)勢，可以運用于各類的數(shù)碼產(chǎn)品，不浪費產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計的空間。同時，它采用FAT16／32文件系統(tǒng)，且提供了SPI接口，便于消費者文件下載與管理。

2 方案原理與設(shè)計思路
2．1 方案原理
    DAB接收機中融合MP3解碼功能的方案如圖2所示。這里主要介紹與MP3解碼相關(guān)的部分。AT91SAM7S64微處理器利用SPI接口的片選線，最多能與4個從屬設(shè)備進行通信。該系統(tǒng)中MCU的4根SPI片選線分別選中ID200、MicroSD卡、STA013以及液晶顯示模塊。RF芯片和ADC分別選用Maxim公司的MAX2170和MAXll91。MCU通過SPI總線將存在SD卡中的音頻數(shù)據(jù)讀取到MCU內(nèi)的緩沖器中，然后再通過SPI總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到STA013中進行音頻解碼，解碼后的音頻數(shù)據(jù)流能通過PCM輸出接口送入MAX9850，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換和耳機功放，最終由耳機輸出。

     STA013主要是靠I2C總線來傳輸控制信息，串行數(shù)據(jù)線接收音頻數(shù)據(jù)?？梢詫⒂蒘DI、SCKR、DATA_REQ三個引腳組成的串行數(shù)據(jù)線，看成是一個只有SIMO(從機輸入主機輸出)沒有SOMI(從機輸出主機輸入)的SPI總線。當(dāng)DATA_REQ置高時，將MCU緩沖器中的數(shù)據(jù)以盡可能快的速度通過SDI引腳輸入STA013，利用SCKR為解碼芯片提供串行時鐘。當(dāng)STA013的緩沖區(qū)快溢出時將DATA_REQ置低，數(shù)據(jù)停止傳輸。MCU的I2C總線與STA013的I2C接口相連，利用其傳輸命令、初始化解碼芯片及控制解碼進程。
2．2 設(shè)計思路
    MP3解碼系統(tǒng)中各模塊的連接如圖3所示。SD存儲卡系統(tǒng)定義了SD和SPI兩種通信協(xié)議，應(yīng)用時可以選擇其中一種模式。由于本方案中采用的AT91SAM7S64沒有提供硬件的SD總線接口，但提供了SPI總線接口，為了避免用軟件方式將I／O口模擬為SD總線接口，這里選用SPI總線模式進行Micro SD卡與MCU之間的命令和數(shù)據(jù)通信。SD卡上電時總是處于SD模式下，如果系統(tǒng)想使用SPI模式進行通信，可以在SD卡發(fā)送復(fù)位命令CMD0期間，將主控片選(SD_CSN)信號置低，從而進入SPI模式。通過掉電再上電，能夠使SD卡系統(tǒng)重新回到SD模式。MicroSD卡是按簇存儲的，一簇中又有32個扇區(qū)，每個扇區(qū)可存放512個字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于SD卡、STA013和液晶都是通過SPI總線與MCU進行通信，所以要處理好總線通信的時序問題。在SD卡初始化時打開的SPI總線，需要在獲取卡信息后關(guān)閉，然后打開LCD的SPI接口；在MP3節(jié)目播放時，需要關(guān)閉LCD的SPI，打開STA013的SPI總線。

    STA013解碼芯片有3個重要的接口，分別是串行輸入接口、I2C接口以及PCM輸出接口。串行輸入接口的SDI、SCKR分別與MCU的SPI總線中的SIMO、SPICLK相連，由DATA_REQ向MCU提供中斷信號。PCM輸出接口與DAC的I2S接口相連，MCU通過I2C總線接口對MCU和DAC進行控制。在初始化STA013芯片時，必須先通過I2C總線接口寫入由ST公司提供的配置文件。該文件中，奇數(shù)項數(shù)據(jù)是I2C寄存器地址，偶數(shù)項數(shù)據(jù)是相對應(yīng)的I2C寄存器缺省數(shù)值。STA013配置文件解析如圖4所示。STA013和DAC的I2C地址分別為1000011和0010011，所以復(fù)用MCU的I2C總線接口時不存在設(shè)備沖突的問題。

    I2C總線接口讀寫數(shù)據(jù)時序如圖5所示。

    采用Mentor公司的PADS軟件繪制電路圖?；赟TA013解碼芯片和DAB系統(tǒng)各部分的連接電路如圖6所示。

    MP3解碼的工作流程：
    ①解碼芯片的初始化。初始化STA013包括如下幾個步驟：硬件復(fù)位STA013；SPI初始化；將由ST公司提供的配置文件通過I2C接口寫入解碼芯片；對解碼后的PCM數(shù)據(jù)、PLL、解碼器工作模式以及輸入比特流時鐘極性等進行配置。
    ②音頻數(shù)據(jù)的傳送。由于STA013具有較強的解碼功能，因此當(dāng)STA013需要數(shù)據(jù)(DATA_REQ為高)時，須立即通過SDI接口以盡可能快的速度(但要低于20Mbps)傳送給它?？梢酝ㄟ^設(shè)置SPI總線的SPICLK來實現(xiàn)，這里將SPI時鐘設(shè)置為4 MHz。數(shù)據(jù)以扇區(qū)為單位從MCU發(fā)向解碼芯片的緩沖器，注意在用SPI傳送數(shù)據(jù)時，需將BIT_EN端口置高才能進行有效的傳送。STA013會自動決定數(shù)據(jù)輸入與輸出傳輸率的大小，當(dāng)其緩沖存儲器飽和時，它會終止數(shù)據(jù)請求。對于易變的比特流的MP3數(shù)據(jù)，STA013也能自動處理。另外，它還能根據(jù)自動探測到的MP3的采樣頻率合理調(diào)整DAC的時鐘。
    ③對音頻數(shù)據(jù)的解碼。通過獲取MP3文件幀頭來獲取一些解碼參數(shù)，從而自動適應(yīng)不同MP3音頻流的解碼。例如，可以通過解碼參數(shù)中的采樣頻率來自動調(diào)整音頻的輸出時鐘頻率等。
    ④解碼后音頻流的輸出?？蓪TA013的SDO(PCM串行數(shù)據(jù)輸出)、SCKT(PCM串行時鐘輸出)、OCLK(采樣時鐘)和LRCLK(左右聲道時鐘輸出)引腳，分別與MAX9850的SDIN(串行數(shù)據(jù)輸入)、BCLK(數(shù)字音頻位時鐘輸入)、MCLK(主時鐘輸入)和LRCLK(左右聲道時鐘輸入)相連。解碼后音頻流經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號后，再通過耳機功放，便可由耳機輸出完整的PCM音頻。

結(jié)語
    該設(shè)計MP3解碼方案是基于一種DAB接收機所提出的。由于該款DAB接收機采用的基帶解碼芯片ID200擁有極低功耗性(26 mW／128 kbps)，所以MP3解碼功能的加入首先要從整機功耗和成本考慮。而STA013解碼芯片既滿足低功耗的要求，又具備價格優(yōu)勢，且技術(shù)成熟度較高，故成為方案設(shè)計首選。但其體積相對較大，在PCB布板時應(yīng)優(yōu)化設(shè)計，以便符合便攜要求。隨著數(shù)字化廣播在我國的迅速普及與DAB技術(shù)成熟度的提升，在DAB基帶解碼芯片中融入MP3解碼功能，對于提高整機的便攜性、開發(fā)簡易性起到至關(guān)重要的作用，這將是今后優(yōu)化設(shè)計方案的一個重要方向。