基于單片機(jī)的MP3播放器設(shè)計

0 引言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，MP3播放器是目前市場上流行的消費(fèi)類數(shù)碼產(chǎn)品之一，具有大容童、高音質(zhì)、小巧便攜等特點．而倍受廣大消費(fèi)者的青睞。本文采用ETC公司的微控制器STC89C58RD+，結(jié)合解碼芯片VS1003、USB接口芯片CH375、LCD等外圍設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)了MP3播放器。主要功能有：播放VS1003支持的所有音頻文件，包括MP3，WMA，WAV文件，且音質(zhì)非常好，具有按鍵控制播放上一首／下一首、音量增減等，可通過LCD顯示歌曲名字和播放狀態(tài)信息等功能。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)啟動后，單片機(jī)通過USB接口芯片CH375，從U盤中獲取MP3格式文件的數(shù)據(jù)，并存入片內(nèi)RAM進(jìn)行緩沖，然后單片機(jī)定時將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)送到MP3音頻解碼芯片VS1003，實現(xiàn)解碼并輸出音頻信號到耳機(jī)或者有源音響輸出。用戶可以通過鍵盤實現(xiàn)“啟動”、“上一曲”、“下一曲”、“音量控制”及“停止”等功能，并將播放狀態(tài)信息通過LCD顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 單片機(jī)讀取MP3數(shù)據(jù)模塊
    數(shù)據(jù)讀取模塊包括單片機(jī)控制器，USB串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位并行數(shù)據(jù)CH375芯片和MP3格式數(shù)據(jù)存儲U盤3部分。
1．1．1 單片機(jī)控制器
    采用宏晶公司的STC89C58RD+單片機(jī)，該單片機(jī)最高可工作于33 MHz時鐘，具有32 KB的FLASH，1 KB的內(nèi)部RAM，引腳與指令系統(tǒng)均與51單片機(jī)兼容。本設(shè)計中，單片機(jī)工作在30 MHz的系統(tǒng)時鐘下，能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)帶寬的要求。
1．1．2 USB接口芯片CH375
    CH375是一個USB總線通用接口電路，支持HOST主機(jī)方式和SLAVE設(shè)備方式。CH375內(nèi)部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、異步串型接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)、DSP等控制器的系統(tǒng)總線上，并內(nèi)置海量存儲固件。CH375的USB主機(jī)方式支持各種常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)、DSP、MCU可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信，支持常用的12 Mb／s全速USB設(shè)備。
1．1．3 工作原理
    利用單片機(jī)實現(xiàn)將U盤中的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)CH375的USB轉(zhuǎn)串行接口傳送至單片機(jī)內(nèi)部RAM緩沖，以等待解碼。其中CH375是一款USB總線的通用接口芯片，可以方便地掛接到單片機(jī)的控制總線上，同時CH375的USB主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機(jī)可以通過CH375按照相應(yīng)的USB通信協(xié)議與USB設(shè)備通信。
    由于CH375內(nèi)置了USB通信協(xié)議，省去了對USB通信協(xié)議的了解，單片機(jī)可以直接調(diào)用API庫讀寫U盤中的文件數(shù)據(jù)，硬件上只需在51單片機(jī)系統(tǒng)中增加一個CH375芯片，綜合成本較低。CH375支持全速的USB-HOST主機(jī)接口，外圍元器件只需要少量晶體和電容，便可支持5 V電源電壓和3．3 V電源電壓，CH375芯片還支持低功耗模式，正常工作時，需要外部為它提供12 MHz的時鐘信號。電路原理如圖2所示。

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1．2 音頻解碼模塊
    音頻解碼模塊包括2大部分單片機(jī)控制器和專用MP3音頻解碼芯片VS1003。
1．2．1 音頻解碼芯片VS1003
    VS1003是一個單片MP3／WMA／MIDI音頻解碼器和ADPCM編程器。它包含一個高性能、自主產(chǎn)權(quán)的低功耗DSP處理器核VS_DSP，并提供5KB的指令RAM和0．5 KB的數(shù)據(jù)RAM。產(chǎn)生MIDI／SP-MIDI文件，內(nèi)含高性能片上立體聲數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，兩聲道，無相位差，在播放音頻文件時不需要外加驅(qū)動電路，VS1003內(nèi)部自帶耳機(jī)功放，只要調(diào)試好電路系統(tǒng)，接入耳機(jī)就可以聽到美妙的音樂。同時，VS1003為用戶提供5．5 KB的片上RAM，并支持SPI串行通信的控制數(shù)據(jù)接口。
1．2．2 工作原理
    系統(tǒng)上電啟動后，由單片機(jī)控制將存儲于U盤中歌曲的MP3數(shù)據(jù)格式流信息通過CH375USB接口芯片送入到VS1003芯片中，通過VS1003芯片解碼及其內(nèi)含高質(zhì)量的立體聲DAC和耳機(jī)驅(qū)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。VS1003的所有數(shù)據(jù)和控制命令均通過SPI總線接口實現(xiàn)，由于設(shè)計中所采用的單片機(jī)沒有SPI接口，因此，在設(shè)計中采用單片機(jī)的3個I／O口來模擬SPI時序，以達(dá)到實現(xiàn)SPI通信功能。電路如圖3所示。

1．3 鍵盤及顯示模塊
    鍵盤采用的是獨(dú)立按鍵，與單片機(jī)P30～P34相連接，實現(xiàn)“開始”、“下一曲”、“上一曲”、“音量+”和“音量-”等5個功能。播放的狀態(tài)由Nokia5110液晶顯示，該液晶為84×48點陣的LCD，可以顯示4行漢字，并支持串行通信協(xié)議，傳輸速率高達(dá)4 Mb／s，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，方便地與單片機(jī)進(jìn)行通信。該液晶外部信號線僅有9條，節(jié)約本來就緊張的I／O口，其串行通信模式下的控制時序如圖4所示。

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1．4 電源模塊
    系統(tǒng)采用的是5 V直流電源供電，并通過5 V轉(zhuǎn)3．3 V的SPX1117-3．3 V芯片給單片機(jī)，VS1003解碼器和USB專用芯片CH375模塊供電，其電源電路原理如圖5所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)單片機(jī)的軟件設(shè)計采用C51語言編寫，源程序共分3個部分，即：單片機(jī)驅(qū)動CH375程序，單片機(jī)控制VS1003實現(xiàn)音頻解碼程序，按鍵和顯示驅(qū)動程序。在編寫CH375模塊部分的程序時，用到了從南京沁恒公司官方網(wǎng)站下載的CH375的API函數(shù)庫“CH375HF4．LIB”文件，簡化了程序設(shè)計。因為單片機(jī)的硬件資源十分有限，在硬件調(diào)試過程中，出現(xiàn)在傳送頻率較高的歌曲時，由于采樣頻率低，帶寬不夠，而造成聲音失真。所以在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，應(yīng)優(yōu)化程序，提高運(yùn)行速度，保證播放歌曲的流暢，其軟件流程如圖6所示。

3 結(jié)語
    設(shè)計的MP3播放器采用51單片機(jī)加VS1003解碼，并通過CH375USB專用芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這種組合方式相比于采用AVR或者M(jìn)SP430系列的高端單片機(jī)，達(dá)到的播放效果也毫不遜色。系統(tǒng)的整個設(shè)計難點在于單片機(jī)如何高效的從U盤中讀取數(shù)據(jù)，并以一定的時序?qū)⒕彌_的數(shù)據(jù)傳輸給VS1003，實現(xiàn)解碼。在此采用的方法一是提高系統(tǒng)的時鐘；二是通過修改軟件，精簡程序，來加快了系統(tǒng)的傳輸速率，使播放音樂更加流暢。