基于ATmega128L的大容量MP3播放機(jī)

    摘要：介紹Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128L單片機(jī)的特點(diǎn)；提出一種以硬盤(pán)為存儲(chǔ)介質(zhì)的MP3播放機(jī)的設(shè)計(jì)方案；給出硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思路。

    關(guān)鍵詞：ATmega128L MP3播放機(jī) 解碼器LCD

引言

以Flash為存儲(chǔ)介質(zhì)的MP34播放器，由于其體積小、攜帶方便、價(jià)位合理及其時(shí)尚的外圍觀設(shè)計(jì)，受到很多人的青睞。但Flash的價(jià)位由于受其制造工藝的制約一直居高不下，從而使MP3播放器的容量?jī)H限于32M、64M、128M等幾個(gè)檔次。本文旨在提出一種以筆記本硬盤(pán)為存儲(chǔ)介質(zhì)的MP3播放機(jī)的設(shè)計(jì)方案。該款播放機(jī)既具有移動(dòng)硬盤(pán)的功能，又可作為MP3播放機(jī)使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128L作為主控MCU。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如1所示。PC機(jī)通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)的管理和對(duì)MP3歌曲、文檔等數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先將硬盤(pán)上的一部分MP3歌曲送入Flash中存儲(chǔ)，由MCU控制將儲(chǔ)存于Flash中歌曲的碼流信息送入MP3解碼芯片中解碼，并產(chǎn)生解碼輸出。在系統(tǒng)的DAC模塊把解碼輸出轉(zhuǎn)換為模擬音頻聲音后，經(jīng)一級(jí)音頻放大并驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)MP3歌曲的播放功能。在按鍵的控制下，通過(guò)LCD中菜單選項(xiàng)的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)歌曲播放模式、聲音音效、液晶對(duì)比度的調(diào)度以及歌曲選擇等功能；在播放的同時(shí)，LCD上顯示的信息除滾動(dòng)的歌曲名稱、演唱者、碼流率等ID3信息外，還包括系統(tǒng)供電電池的電量及歌曲播放模式等圖標(biāo)。

系統(tǒng)包括主控MCU、硬盤(pán)、Flash緩存、按鍵、LCD、解碼器和D/A轉(zhuǎn)換器等幾部分。

2 ATmega128L的主要特點(diǎn)

ATmega128L內(nèi)核為AVR，具有以下特點(diǎn)：

*先進(jìn)的RISC架構(gòu)，內(nèi)部具有133條功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，而且大部分指令是單周期；32個(gè)8位通用工作寄存器+外圍接口控制寄存器。

*內(nèi)部有128KB在線可重復(fù)編程Flash、4KBEEPROM和4KB SRAM。

*有53個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使功能口和I/O口可以復(fù)用，大大增強(qiáng)了端口功能和靈活性，提高了對(duì)外圍的開(kāi)發(fā)能力。

*內(nèi)部有2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和2個(gè)具有比較/捕捉寄存器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器；1個(gè)可編程看門狗定時(shí)器；2通道8位PWM通道；8路10位A/D轉(zhuǎn)換器；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；片內(nèi)精確的模擬比較器等。

    *功耗低。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等幾種省電模式下；可軟件編程選擇時(shí)鐘頻率。ATmega128L的軟件結(jié)構(gòu)也是針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)的，具有內(nèi)外多種中斷模式。豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中查詢的需要，可以方便地設(shè)計(jì)出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序、上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測(cè)。

*帶JTAG接口。通過(guò)該口利用JTAG仿真器，可以很方便地實(shí)現(xiàn)程序的在線調(diào)試和仿真，編譯調(diào)試正確的代碼，通過(guò)JTAG口直接寫(xiě)入ATmega128的Flash代碼區(qū)中。另外，支持Bootloader功能，即MCU上電后，首先通過(guò)駐留在Flash中的BootLoader程序，將存儲(chǔ)在外部媒介中的應(yīng)用程序搬移到ATmega128L的Flash代碼區(qū)。搬移成功后自動(dòng)去執(zhí)行代碼，完成自啟動(dòng)。這對(duì)于產(chǎn)品化后程序的升級(jí)和維護(hù)提供了極大的方便。

*電源電壓為2.7～5.5V

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的各個(gè)接口模塊

3.1 MCU與硬盤(pán)的接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇2.5英寸的筆記本硬盤(pán)作為存儲(chǔ)介質(zhì)。筆記本硬盤(pán)接口是標(biāo)準(zhǔn)并行IDE接口。MCU與硬盤(pán)的接口電路如圖2所示。ATmega128L的PA、PC口與硬盤(pán)的16根數(shù)據(jù)線相連。IDE接口是基于寄存器結(jié)構(gòu)的，所有對(duì)硬盤(pán)的控制操作均通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。IDE接口的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器有16個(gè)寄存器，分為2段，每段有8個(gè)寄存器，兩段寄存器的選擇由CS0、CS1來(lái)確定，通過(guò)DA0、DA1、DA2來(lái)選通每個(gè)段的8個(gè)寄存器。寄存器如表1所列。IDE接口有兩種傳輸模式：PIO模式和DMA模式。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用PIO傳輸模式。PIO傳輸模式由處理器負(fù)責(zé)信息的傳輸，硬盤(pán)以扇區(qū)為單位與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；在進(jìn)行扇區(qū)讀寫(xiě)時(shí)，一次通過(guò)端口的數(shù)據(jù)為16位。8G以上的硬盤(pán)支持CHS、LBA兩種尋址方式，尋址方式的選擇通過(guò)驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器的第6位控制。通過(guò)LBA尋址方可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤(pán)的每一個(gè)物理地址的訪問(wèn)。

表1 

3.2 Flash接口

作為便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，功耗問(wèn)題是一個(gè)要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。作業(yè)存儲(chǔ)介質(zhì)的硬盤(pán)，其工作電壓為5V，最大功耗可達(dá)20W，硬盤(pán)工作時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)系統(tǒng)功耗將產(chǎn)生直接的影響。由于硬盤(pán)提供了STANDBY、IDLE、SLEEP等幾種低功耗運(yùn)行模式，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮使用一片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器作業(yè)緩存，即首先將存儲(chǔ)硬盤(pán)中的一部分音頻壓縮文件送入Flash中存儲(chǔ)（文件數(shù)目由Flash的容量決定），然后控制硬盤(pán)進(jìn)入SLEEP低功耗模式。存儲(chǔ)在Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)入解碼芯片中進(jìn)行解碼。待Flash中所有音頻文件播放完，則喚醒硬盤(pán)重新進(jìn)入正常的工作模式，啟動(dòng)下一次的數(shù)據(jù)緩存任務(wù)。

圖3 解碼+D/A接口

    系統(tǒng)中采用Sumsung公司生產(chǎn)的KM29U128T Flash存儲(chǔ)器作為緩存。KM29U128T是16M×8位NAND Flash存儲(chǔ)器。該芯片支持塊擦除、頁(yè)讀、頁(yè)寫(xiě)的功能。它的尋址采用串行方式，即8根數(shù)據(jù)線既作地址線也作數(shù)據(jù)線。先輸入地址，再傳送數(shù)據(jù)。控制地址、命令鎖存口和讀寫(xiě)允許口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的讀寫(xiě)。

3.3 解碼和D/A接口

壓縮音頻數(shù)據(jù)的解碼和D/A轉(zhuǎn)換采用Micronas Intermetall公司專為個(gè)人音頻播放器設(shè)計(jì)的MAS3507D和DAC3550A芯片組。MAS3507D是單芯片解碼器，數(shù)據(jù)的處理由內(nèi)部嵌入的RISC DSP核來(lái)完成。單芯片上嵌入的還有電源管理器、程序存儲(chǔ)器、時(shí)鐘管理器、音頻基帶處理器以及I2S、I2C、PIO多種接口。采用集成I2S的音頻輸出方式，可方便地與DAC3550A連接。在芯片內(nèi)集成了數(shù)字、音量、立體聲、聲道混合、低音、高音控制等功能。DAC3550A是與MAS3507D匹配的高質(zhì)量的音頻DAC，內(nèi)部集成了耳機(jī)放大器；內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器并由CLKOUT端提供給MAS3507D；具有I2S總線音頻輸入和I2C控制總線；具有低功耗模式。它把MP3播放機(jī)中D/A轉(zhuǎn)換和音頻放大兩部分集成在一起，非常適合于便攜式MP3播放機(jī)的開(kāi)發(fā)。

圖3所示為MCU、MAS3507D和DAC3550A的接口示意圖。ATmega128L通過(guò)SPI串行總線與解碼器MAS3507D的I2S接口相連，實(shí)現(xiàn)音頻壓縮碼流的傳輸。當(dāng)解碼芯片MAS3507D需要數(shù)據(jù)碼流時(shí)，通過(guò)DEMAND口向MCU發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)。解壓縮后的音頻碼流通過(guò)MAS3507D的I2S的輸出端口送入DAC3550A進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和放大。MAS3507D和DAC3550A都具有I2C總線，Atmega128L通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)對(duì)MAS3507D和DAC3550A各個(gè)寄存器的讀寫(xiě)控制，完成音量、音效等調(diào)節(jié)。

3.4 其它模塊接口

人機(jī)界面是便攜式系統(tǒng)的重要組成部分，尤其對(duì)本系統(tǒng)，由于硬盤(pán)可以存儲(chǔ)海量的歌曲，如果能夠?qū)τ脖P(pán)中的歌曲進(jìn)行有效管理和搜索，無(wú)疑會(huì)大大提高系統(tǒng)使用的方便性和靈活性?；谠摽紤]，本系統(tǒng)采用了多個(gè)按鍵和1塊點(diǎn)陣式LCD，用于控制和顯示。LCD液晶模塊采用Solomon公司的SSD1815。SSD1815是單片CMOS LCD控制器，有串/并行兩種控制方式。本系統(tǒng)中采用串行控制方式。SSD1815內(nèi)部有一個(gè)用于存放圖形點(diǎn)陣信息的存儲(chǔ)區(qū)，將要顯示的圖形或字符的點(diǎn)陣信息送入該區(qū)域即可完成顯示。由于控制的復(fù)雜性，系統(tǒng)需要羅多的按鍵，為了盡可能地減少I/O口的占用和降低控制復(fù)雜性，對(duì)按鍵的查詢采用I2C串行口，通過(guò)一片I2C擴(kuò)展芯片PCF8574，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)按鍵的查詢。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

筆記本硬盤(pán)是MP3文件的存儲(chǔ)介質(zhì)，由于其容量較大，PC機(jī)通過(guò)USB接口對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行管理和操作時(shí)采用FAT32文件系統(tǒng)。文件以簇號(hào)鏈的形式在硬盤(pán)上存放，由磁盤(pán)分區(qū)信息和文件分配表的相關(guān)信息計(jì)算出文件在硬盤(pán)中的起始地址，通過(guò)硬盤(pán)數(shù)據(jù)口將該地址的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。連續(xù)的讀操作將實(shí)現(xiàn)一個(gè)文件的讀取。

在該系統(tǒng)中，MCU需要完成數(shù)據(jù)從硬盤(pán)到Flash緩沖區(qū)的拷貝、送Flash中的壓縮音頻數(shù)據(jù)流給解碼器解碼、按鍵的監(jiān)測(cè)、根據(jù)按鍵的控制對(duì)歌曲播放模式和歌曲相關(guān)信息的顯示等幾個(gè)主要任務(wù)?？紤]到Flash的讀寫(xiě)速度較慢，為保證歌曲的連續(xù)播放，在SRAM中劃分2×512字節(jié)的區(qū)域作為二級(jí)緩存，用于暫存從Flash傳送過(guò)來(lái)的音頻數(shù)據(jù)。根據(jù)解碼器的反饋需求信號(hào)，從該緩沖區(qū)中取數(shù)送給解碼器進(jìn)行解碼。歌曲的播放具有實(shí)時(shí)性的要求，即如果解碼芯片的DEMAND信號(hào)為高，MCU必須停止目前正在執(zhí)行的任務(wù)來(lái)響應(yīng)發(fā)送碼流的任務(wù)。為保證數(shù)據(jù)碼流的不間斷，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，將硬盤(pán)→Flash、Flash→RAM的數(shù)據(jù)緩沖任務(wù)以及給解碼芯片發(fā)送碼流的任務(wù)用中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。由于給解碼器發(fā)送碼流的任務(wù)實(shí)時(shí)性要求最高，故單獨(dú)用一中斷實(shí)現(xiàn)該任務(wù)，且設(shè)置該中斷的優(yōu)先級(jí)最高。硬盤(pán)→Flash、Flash→RAM的數(shù)據(jù)緩沖任務(wù)作為另一中斷的中斷服務(wù)程序；而按鍵檢測(cè)、液晶顯示和電源管理作為前臺(tái)的三個(gè)任務(wù)，MCU輪流分配給各個(gè)任務(wù)使用。這樣的設(shè)計(jì)既能滿足歌曲播放的實(shí)時(shí)性要求，又能對(duì)按鍵檢測(cè)、顯示等其它任務(wù)作出響應(yīng)。模塊化設(shè)計(jì)和分時(shí)操作系統(tǒng)思想在軟件設(shè)計(jì)中得到了充分的體現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

本文討論了基于ATmega128L的大容量MP3播放機(jī)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊接口作了簡(jiǎn)要的描述，并提出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思想。以上軟硬件設(shè)計(jì)思想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。該產(chǎn)品功耗低、功能強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠，具有友好的用戶界面和操作性。