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1、第一章 绪 论1.1 音频格式背景音频格式是指要在计算机内播放或是处理音频文件，是对声音文件进行数、模转换的过程。音频格式最大带宽是20KHZ，速率介于4050KHZ之间，采用线性脉冲编码调制PCM，每一量化步长都具有相等的长度。音频文件格式常见的特点有：要在计算机内播放或是处理音频文件，也就是要对声音文件进行数、模转换，这个过程同样由采样和量化构成，人耳所能听到的声音，最低的频率是从20Hz起一直到最高频率20KHZ，20KHz以上人耳是听不到的，因此音频文件格式的最大带宽是20KHZ，故而采样速率需要介于4050KHZ之间，而且对每个样本需要更多的量化比特数。音频数字化的标准是每个样本16
2、位-96dB的信噪比，采用线性脉冲编码调制PCM，每一量化步长都具有相等的长度。在音频文件的制作中，正是采用这一标准。现如今音频格式已经日新月异，到2008年音频格式包括：CD格式、WAVE（*.WAV）、AIFF、AU、MP3、MIDI、WMA、RealAudio、VQF、OggVorbis、AAC、APE。1.2 MP3文件格式 MP3格式诞生于八十年代的德国，所谓的MP3也就是指的是MPEG标准中的音频部分，也就是MPEG音频层。根据压缩质量和编码处理的不同分为3层，分别对应“*.mp1/“*.mp2”/“*.mp3”这3种声音文件。需要提醒大家注意的地方是：MPEG音频文件的压缩是一种
3、有损压缩，MPEG3音频编码具有10：112：1的高压缩率，同时基本保持低音频部分不失真，但是牺牲了声音文件中12KHz到16KHz高音频这部分的质量来换取文件的尺寸，相同长度的音乐文件，用.mp3格式来储存，一般只有.wav文件的1/10，而音质要次于CD格式或WAV格式的声音文件。由于其文件尺寸小，音质好；所以在它问世之初还没有什么别的音频格式可以与之匹敌，因而为.mp3格式的发展提供了良好的条件。直到现在，这种格式还是风靡一时，作为主流音频格式的地位难以被撼动。但是树大招风，MP3音乐的版权问题也一直是找不到办法解决，因为MP3没有版权保护技术，说白了也就是谁都可以用。 MP3格式压缩音
4、乐的采样频率有很多种，可以用64Kbps或更低的采样频率节省空间，也可以用320Kbps的标准达到极高的音质。用装有Fraunhofer IIS Mpeg Lyaer3的 MP3编码器（现在效果最好的编码器）MusicMatch Jukebox 6.0在128Kbps的频率下编码一首3分钟的歌曲，得到2.82MB的MP3文件。采用缺省的CBR（固定采样频率）技术可以以固定的频率采样一首歌曲，而VBR（可变采样频率）则可以在音乐“忙”的时候加大采样的频率获取更高的音质，不过产生的MP3文件可能在某些播放器上无法播放。把VBR的级别设定成为与前面的CBR文件的音质基本一样，生成的VBR MP3文件
5、为2.9MB。 MP3是到2008年止使用用户最多的有损压缩数字音频格式了。它的全称是MPEG(MPEG：MovingPictureExpertsGroup)AudioLayer-3，刚出现时它的编码技术并不完善，它更像一个编码标准框架，留待人们去完善。早期的MP3编码采用的的是固定编码率的方式（CBR），看到的128KBPS，就是代表它是以128KBPS固定数据速率编码你可以提高这个编码率，最高可以到320KBPS，音质会更好，自然，文件的体积会相应增大。 因为MP3的编码方式是开放的，可以在这个标准框架的基础上自己选择不同的声学原理进行压缩处理，所以，很快由Xing公司推出可变编码率的压缩
6、方式（VBR）。它的原理就是利用将一首歌的复杂部分用高bitrate编码，简单部分用低bitrate编码，通过这种方式，进一步取得质量和体积的统一。当然，早期的Xing编码器的VBR算法很差，音质与CBR（固定码率）相去甚远。但是，这种算法指明了一种方向，其他开发者纷纷推出自己的VBR算法，使得效果一直在改进。目前公认比较好的首推LAME，它完美地实现了VBR算法，而且它是是完全免费的软件，并且由爱好者组成的开发团队一直在不断的发展完善。 而在VBR的基础上，LAME更加发展出ABR算法。ABR（AverageBitrate）平均比特率，是VBR的一种插值参数。LAME针对CBR不佳的文件体积
7、比和VBR生成文件大小不定的特点独创了这种编码模式。ABR在指定的文件大小内，以每50帧（30帧约1秒）为一段，低频和不敏感频率使用相对低的流量，高频和大动态表现时使用高流量，可以做为VBR和CBR的一种折衷选择。 1.3 ATmega 128单片机结构特点 高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器 先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程Flash寿命: 10,000 次写/ 擦除周期 具有独立锁定
8、位、可选择的启动代码区通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读- 修改- 写操作 4K字节的EEPROM寿命: 100,000 次写/ 擦除周期 4K 字节的内部SRAM 多达64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过SPI 实现系统内编程 外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM 输出比较调制器 8路10 位ADC 7 个差分通道 2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差
9、分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择ATmega103 兼容模式 全局上拉禁止功能 I/O 和封装 53个可编程I/O 口线 64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 4.5 - 5.5V ATme
10、ga128 速度等级 0 - 16 MHz ATmega128第二章 方案与论证2.1 需求分析本 MP3 播放系统功能较多，针对这些功能，要选择合适的控制芯片及外部芯片来实现，以下介绍一下选用芯片： MP3 解码 本播放系统是利用 AVR 单片机控制来实现歌曲播放功能的，但对单片机本身来说不能进行音频解码（速度与资源都不符合要求），所以只能利用外部解码芯片来实现歌曲播放功能。 MP3解码芯片常见的有 VS100X 系列和 STA01X 系列，VS 系列自带 DAC输出功能，而且能解码的音频格式也比较多；而 STA系列需要外加 DAC，使用起来多有不便，而且只能解码 MP3 一种格式的音乐文件
11、。 经过对此比较，选用 VS1003 作为解码芯片，该芯片支持 MP3、WMA、WAV、MIDI、等格式的解码，自带 DAC 输出；同时，还可以调节音量、高低音等，更重要的是它还具有 MIC 功能，如需要，还可以实现录音功能。因此，选用此芯片作为解码芯片。 音效处理 虽然 VS1003自带了音效处理，但是其效果不是很理想，而且无法对外部音源进行音效处理，所以，本播放器采用一块外部数字音效处理芯片来进行音效处理。 CD3314 是一个具有四组立体声输入的双声道数字音质处理器，CD3314将音量、音调（bass and treble）、声道平衡（left/right），响度等处理及输入增益选择内建
12、于单一芯片中。这些功能令 CD3314仅需要少数外部元件即可实现高效的音质处理功能。所用功能均由 I2C 总线控制。 FM收音 本播放器的收音功能只针对 FM 调频进行收音，采用飞利浦公司生产的 TEA5767芯片来实现。TEA5767 是一款低功耗、电调谐、调频立体声收音芯片，内部集成了中频选频网络和解调网络，可以做到完全免调，因此需要很少量的小体积外围元件。TEA5767芯片可以应用在中国、欧洲、美国和日本不同的 FM 波段环境。该芯片通过 I2C 总线控制，就可以实现调频接收，频率覆盖范围从 76108Mhz，而且是立体声接收，带信号强度指示。所以，根据以上优点，采用此芯片来完成 FM
13、收音功能。 人机交互 人机交互采用红外用空加 LCD 液晶显示方式实现。输入端采用遥控方式实现，不但能节省 I/O 口，而且使用起来更加方便，本播放器采用 PT2262/PT2272 红外遥控芯片。该芯片是一种CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441 地址码,PT2262 最多可有6 位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解
14、码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。 液晶显示普通单色 LCD 来实现，这里考虑到音乐播放显示、同步歌词显示、音量显示等诸多功能，同时兼顾成本，故选用价格较为便宜的 Nokia 5110 点阵LCD 来实现。该液晶屏本身不带有字库功能，所以，系统需要有外部字库文件，来实现曲目及歌词的汉字显示。 存储媒介 作为 MP3 播放器，肯定需要很大的存储器来存放歌曲，可以选择 Flash芯片存储、SD卡、U盘等。如果选用 Flash ，则整个系统要求较多的 I/O 口来读取，更
15、重要的一点是，这样做的后果就是整个系统的容量就被固定了，扩容存在困难。而 U盘和 SD卡都是不错的选择，并且 U盘和 SD卡均容易购买到，并且价格较为低廉，所以，存储部分选用 U盘或 SD卡读取来实现。2.2 基本方案设计通过以上的需求分析，对本系统的所有的主要芯片有了初步的了解。本 MP3 播放系统已 ATmega 128 为控制核心，通过 SPI 通信协议控制 SD卡和 VS1003 通信，通过 I2C总线控制收音机模块，对于其他的芯片则是通过普通 I/O 口连接的。以下是硬件系统的连接框图，如图2.1.具体的芯片功能和详细的电路图将在下一章做以详细介绍。 ATmega128I2CSPITEA5767收音模块Nokia 5110液晶显示SD卡U盘VS1003音频解码红外遥控PT2262PT2272串口及空闲I/O 口图 2.1以上是本 MP3 播放系统的硬件框图，是该播放系统具有的基本功能，每个功能可以单独运行。实现以上这几个关键功能部分需要具备： FAT文件体统的管理
