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1、 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页11 便携式 MPMP3 播放器基本原理本章首先讨论便携式 MP3 播放器的结构、然后介绍多种存储器类型、接着介绍各种通信接口及其扩展功能，其中简要介绍了 USB2.0 通信协议。最后说明便携式 MP3 播放器的扩展功能。1.1 便携式 MP3 播放器的结构对于便携式 MP3 系统，主要考虑的是其体积小巧、低功耗、高容量、低价格。当前流行的 MP3 播放器其主要结构如图 2.1 所示。可见，一个 MP3 播放器主要应包括：（1）单片机控制系统（2）大容量的移动存储设备（3）MP3 解码器（4）D/A 转换芯片（5）音频放大电路（6）USB 接口（7）LC
2、D 显示和键盘电路USB大容量移 动存储器LCD 显示器键盘按钮单片机 控制系统MP3 解码D/A 转换音频 放大声音 输出图 2.1 MP3 播放器的主要结构示意图事实上，随着 MP3 播放器的激烈竞争和产品开发的发展。一些芯片厂商已经推出了集成 MP3 解码及其它附加功能的单片机，使 MP3 播放器向集成化发展，如 ATMEL 的AT89C51SND1 芯片。另一方面，MP3 播放器的附加功能也越来越具有吸引力，如将 MP3 中的储存器开辟为移动存储设备，增加了 MP3 录音、调频收音机以及多种现场环境感觉功辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页2能的播放模式，在 MP3 播放器集成时钟功
3、能等。总之，MP3 播放器在不断集成化的同时，功能正朝着多样化方向发展。2.2 MP3 播放器的通信接口2.2.1 MP3 播放器的通信接口MP3 的通信方式已从 PC 并口的 Normal 方式过渡到 ECP 或 EPP 方式，上/下载速率从100Kbytes/s 上升到 300Kbytes/s；最新的产品，大多已经使用了支持热插拔的 USB 接口，通信速率最高可达 400 到 500Kbytes/s，用户下载 32Mbytes 的 MP3 音乐只需大约一分半钟时间，大大缩短了用户上/下载 MP3 音乐的时间，有的甚至采用了 USB2.0 接口。当前，USB 已经是便携式 MP3 通信接口的
4、主流标准，不过，将来甚至可能采用 1394火线技术。2.2.2 USB2.0 简介通用串行总线（USB）是由 INTEL，DEC，MICROSOFT 和 IBM 等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于 PC 机与外接设备的互联。众所周知，计算机外设的丰富及消费电子设备与计算机连接的实现，扩展了 PC 的应用空间，同时外设的日益丰富也给用户造成了连接上的困难。USB 技术的提出就是基于通用连接技术实现外设的简单连接，以达到方便用户，降低成本，扩展 PC 机外设的目的。通用串行总线是一种快速，灵活的总线接口。与其它通信接口比较，USB 接口的最大特点是易于使用，这也是 USB 的主要设计目
5、标。作为一种高速总线接口，USB 适用于多种设备，其易于使用表现在 USB 接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无须用户干预。2.2.3 USB 协议的传输速率USB 是一种支持在 USB 主机和 USB 设备之间进行串行数据传输的通信协议。主机作为总线的主叫方，采用两种信令模式：全速模式 12Mb/S 和低速模式 1.5Mb/S。目前普通采用的 USB1.1 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速率有低速1.5Mb/S 和全速 12Mb/S 两种。扣除用于总线状态，控制和错误监测等的数据传输，USB辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页3的最大理论传输速率仍达 1.2Mb
6、/S 或 9.6Mb/S， 高于一般的串行总线接口。现在的 2.0可以达到 500Mb/S。总的来说，中速的传输是同步的，低速的数据来自交互的设备。USB 设计的初速率是针对桌面计算机而不是应用于可移动的环境下的。软件系统通过对各种主机控制器提供支持以保证将完成 USB 的扩充。2.2.4 USB 的 4 个层次USB 物理设备（USB physical device）：USB 上的一种硬件，可运行一些用户程序。客户软件（dent software）：为一个特定的 USB 设备而在主机上运行的软件。这种软件由 USB 设备的提供者提供或由操作系统提供。USB 系统软件（USB system s
7、oftware）：此软件用于在特定的操作系统中支持USB，它由操作系统提供。与具体的 USB 设备无关，也独立于客户软件。USB 主机控制器（USB host controvert）：总线在主机方面的总和。用于支持USB 设备通过 USB 连接到主机上。一台主机与一个 USB 设备间的连接是由许多层上的连接组成的。USB 总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接，发送连接，数据包连接。USB 设备层对 USB 系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层 完成对设备的一般的 USB 操作。应用层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。USB 设备层和应用层的通信是逻辑上的，对应
8、于这些逻辑通信的实际物理通信由 USB 总线接口层速完成。2.3 便携式 MP3 播放器的扩展功能播放数字音乐的同时，消费者还希望能够有多种功能，比如用于实时记录语音信号等，一些厂商在他们的 MP3 中又加入了使用 G.726 标准的 ADPCM 语音编码算法，实现MP3 的实时语音录音功能，由于该算法的编码速率为 32Kbps，因而可以在 32Mbytes 的Flash 中连续录音 2 个小时左右，能够满足一般记录语音的质量要求。许多 MP3 还具有日历、秒表甚至万年历等辅助功能。此外，市面上还出现了嵌入 MP3 播放器功能的各种形式的电子产品，如能够播放MP3 的手机，PDA，车载音响和数
9、字相机等。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页42 便携式 MPMP3 播放器的方案分析本章分两大部分 MP3 播放器的硬件解决方案和 MP3 播放器的软件解决方案4。硬件方面包括：基于分离芯片的 MP3 播放器方案、基于集成 MP3 功能单片机的 MP3 播放器方案、基于定制 ASIC 电路的 MP3 播放器方案及彩 FPGA 实现 MP3 播放器的方案。3.1 MP3 播放器的硬件解决方案从技术角度上说，MP3 播放器存在多种方案，其分类方法也较多。这里仅从主要的 MP3 解码芯片类型，即按 MP3 播放器内部的主要芯片类型进行分类，大体可分为：基于分离芯片的 MP3 播放器（存在多种方
10、案）基于集成 MP3 功能单片机（MCU）的 MP3 播放器基于定制 ASIC 电路的 MP3 播放器采用 FPGA 实现 MP3 播放器的方案2.1.1 基于分离芯片的 MP3 播放方案采用分离芯片的 MP3 的播放器，主要包括 MP3 解码芯片、立体声 D/A 转换芯片、移动存储设备、微控制器芯片（单片机）和 LCD 显示电路等，下面分别介绍这些芯片的可选方案，并简述其技术特性。1、MP3 解码芯片早期的 MP3 播放器大多采用基于解码芯片的方案，随着 MP3 播放器市场的发展，几乎所有的半导体公司都推出了自己的 MP3 解码芯片和 MP3 解决方案。2、立体声 D/A 转换器立体声 D/
11、A 转换器是 MP3 播放器极其重要的部件。其功能是将已经解码的立体声位流数据转换为合适大小级别的模拟电压，并通过耳机或扬声器进行播放。可以说，人们从 MP3 播放器听到的声音质量几乎完全取决于该部件，因此，选择一个高质量的 D/A 转换器是至关重要的。3、微控制器（单片机）对 MP3 播放器而言，一个微控制器是必需的，作为播放器的控制器，它从内存中读入数据，并将数据发送给 MP3 解码器，获取键盘和按钮的输入，处理用户选择，并提供辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页5给 LCD 控制器控制信号和数据。4、大容量的可擦除存储器对于便携式 MP3 播放器，大容量的可擦除存储器是其必备的，同时该
12、设备的类型，质量和容量大小，直接决定了 MP3 播放器的价格，当前 MP3 播放器都具有大容量的可擦除存储器，而且其容量有越来越大之趋势。5、液晶显示面板为了实现良好的交互操作，MP3 基本上都提供了一个液晶显示面板 LCD,主流的 MP3通常都采用字符型 LCD。 2.1.2 基于集成 MP3 功能单片机的 MP3 播放方案当前市场比较流行的是基于集成 MP3 功能单片机的 MP3 播放器，该方案仅需少量的外围器件就可以构成 MCU 单芯片的 MP3 播放器，这些芯片提供丰富的接口功能。2.1.3 基于定制 ASIC 电路的 MP3 播放器方案MP3 播放器有一块定制的 ASIC 电路，它比
13、通常 MCU 的功能要强大，且速度也快。由于该设计的 ASIC 具有并口和 USB 口可复用通信的特性，因而使用不同连接电缆和适配器，就能够实现与 PC 机不同的通信方式，对于 PC 仅有并口的用户和具有 USB 口的用户均能使用该款机器。使用 PC 并口通信时，最高可达 300KB/s 的通信频率；使用 USB通信时，最高可达 400500KB/s 的通信频率。2.1.4 采用 FPGA 实现 MP3 播放器的方案Xilinx 公司采用了具有现场可编程门阵列（FPGA）的 MP3，实现具有先进用户接口特性的 MP3 播放器。其中，FPGA 器件主要用于实现存储器与输入/输出器件的管理和接口功
14、能。2.1.5 各个方案的比较基于分离芯片的 MP3 播放器成本大，现在已经逐渐淘汰。现在大部分采用的是基于集成 MP3 功能单片机的 MP3 播放方案。基于定制 ASIC 电路的 MP3 播放器方案的显著特点是电路集成度高，可降低成本，扩展功能，增强竞争力，但不普及。采用 FPGA 实现 MP3播放器的方案比较完美，但难度大我没有采用。基于以上分析，又由于本人能力和时间所限，本文采用基于集成 MP3 功能单片机进辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页6行 MP3 的研究和设计。4 基于 AT89CAT89C51SNDSND1 的 MPMP3 播放器设计开发AT89C51SND1C 单片机是
15、ATMEL 公司的系列单片机之一，本章将以该芯片为核心来开发 MP3 播放器。4. 1 系统分析本系统主要实现一个 MP3 播放器的功能，由于涉及文件传输和存储问题，所以附带需要实现 USB 存储器的功能。整个系统由 AT89C51SND1C（MCU） 、K9F2808U0A（Flash 芯片） ，电源部分、音频部分、串行通信部分和人机接口部分组成。MCU 部分:控制整个系统，提供 USB 控制和 MP3 解码功能；Flash 芯片：存放系统文件；电源部分：提供系统工作所需要的电源，包括 1 个升压和 1 个降压部分；音频部分：把数据流转化为声音信号；人机接口部分：包括按键和 LED 指示等等
16、为了方便调试，系统中还提供了串行通信部分，在这个部分中主要详细介绍电源、音频部分。电源部分：整个开发板上所有芯片统一采用 3.3 伏供电，对开发板的供电采取 2种形式：USB 供电和 7 号电池供电。USB 供电模式：USB 供电参数如下：USB 接口提供 5V 电压和 200mA 电流，Imax=500mA；PC 机为 500mA；笔记本电脑为 100mA。由于 AT89C51SND1 所需要的电压为 3V（10%） ，25mA，所以能够满足需要。把 5V电压转为成 3.3V 电压方案有两种：电位器分压和 DC-DC 芯片。在 ATMEL 提供的开发板中采用的是第一种方案，为了保证输出电压的稳定，我采取第 2 种方案：第 2 种方案备选芯片为 AS1117 和 MAX1626/7，参数比较如表 4.1 所
