嵌入式MP3播放器设计

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1、基于AT89C51SND1C的MP3播放器设计1、概述MP3 作为高质量音乐压缩标准，正进入越来越多人的生活，给 数字音频工业带来强劲的冲击。MP3技术音乐数据压缩比较大，回 放质量较高。如将CD格式的音乐数据压缩成MP3格式，音效相差 无几，但大小至少可压缩 12 倍。由于 MP3 音乐的较小数据量和近乎完美的播放效果，使 MP3 格式的音乐文件在网络上传输得以实现。1995年，采用MP3格式 的音乐开始在网上传播时，主要是用类似 Winamp 的播放软件进行 播放，使MP3音乐无法脱离计算机进行播放，给欣赏音乐带来不便。19971998 年间，韩国 Saehan 公司制造了世界上第一台便携

2、 式MP3播放器MP-F20（MPMan系列MP3播放器的第一款商业产品）。 1998年8月，Diamond Multimedia公司在美国推出了 Rio系列MP3 随身听，正式启动了 MP3 播放器市场。随着技术的发展，人们对 MP3 播放器的要求也越来越高，因而制造商从各个方面提升其附加功 能，扩大 MP3 播放器的适用领域。随着MP3播放器的出现和市场的快速发展为微控制器（MCU）甚 至 MCU/DSP 混合器件应用带来了新的机遇。许多半导体公司提供 各种供 MP3 播放器使用的器件，包括解码器、数模转换器、模数 转换器、现场可编程门阵列（FPGA）、专用标准产品（ASSP）以及 MCU

3、/DSP 混合器件等，这就为 MP3 播放器的选型、设计、开发提供 了多种方案。随着 MP3 播放器的激烈竞争，产品开发的发展以及技术的不 断发展，一些芯片厂商已经推出了集成 MP3 解码及其它附加功能 的微控制器 MP3 播放芯片，使 MP3 播放器向集成化方向发展。另 外 MP3 播放器的附加功能也越来月具有吸引力，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能的播放模式，可播放多种数字音乐格式（如WMA、AAC等）集成时钟日历，同步显示中文歌词等等。2、系统原理市场上流行的MP3播放器通常是兼具播放器和U盘功能的嵌 入式电子产品

4、,除了具有方便的播放控制功能之外,还支持 USB 通 讯协议，可以与计算机进行数据交换，有些LCD显示,或具有录音功 能。基于以上的功能分析,本文要涉及的MP3设计方案是一个仅具 备以上几种基本功能的嵌入式系统。一个典型的MP3播放器的主要结构如图1所示。其组成部分 包括单片机控制系统、LCD显示器、按键、MP3解码器、D/A转换、 音频放大、大容量移动存储器、USB接口和声音输出等等。图2.1 MP3播放器主要结构示意图MCU （单片机）主要负责控制USB接口芯片与计算机通讯从计算 机商下载 MP3 文件、通过总线控制解码芯片工作，以及完成数据 从源到解码器的传输；大容量移动存储器用来存储

5、MP3 文件，播 放时 MP3 文件从存储器传送到解码器解码，这些控制都是由单片 机实现的。解码后的数字音频信号通过内置 D/A 转换器转换成模 拟音频信号，然后通过音频放大电路，最后输出LCD显示器同步 显示正在播放的MP3文件的状态，按键控制MP3播放器的播放、 停止、快进和倒带以及其它功能的选择。在具有U盘功能的MP3播放器中，U盘主要由CPU、USB Device 接口芯片和存储器三部分构成。其中CPU和USB Device接口往往是集成在一起的芯片,存储器一般为 Flash；MP3 主要组成部分 是:CPU、MP3硬件解码器、D/A转换与音频放大器、Flash存储器。 集成解决方案可

6、以是带MP3硬件解码器的CPU,或者是将硬件解码、 D/A转换与音频输入集成在一起。如果利用U盘的海量存储容量, 为MP3提供大量存储器，同时MP3和U盘采用同一个CPU来进行MP3 播放器的设计，可使其具有良好的性价比。本文所设计的具有U盘 功能的MP3可分为以下几个组成部分:CPU、USB Device接口、MP3 硬件解码、D/A转换与音频放大芯片、Flash存储器。几个可以参 考的方案如表1所示。表2.1 方案选择表CPUUSB Device 接口芯片MP3解码芯片D/A转换与音 频放大芯片Flash 存 储器方案AT89C51SND1中集成AT89C51SND1中集成AT89C51S

7、ND1中集成CS4330A+ 双路 运放K9F5608方案PIC16C64PDIUSBD12MAX3507DDAC3550K9F5608方案AVR8515PDIUSBD12STA013CS4330A+ 双路 运放K9F5608以数字电路为主的硬件电路设计 ,一般以芯片为核心来实现 系统功能。单个芯片实现某一部分的主要功能,而多个芯片之间则 要有机的协调和配合。因此，最终选定高集成度的带有CPU、解码 器和USB控制器的芯片AT89C51SND1为核心来完成MP3播放器中 的设计。通过 AT89C51SND1 集成芯片进行解码和 USB 控制,辅以 K9F5608进行存储,并通过CS4330A和

8、双路运放芯片实现D/A转换 与音频放大来实现MP3（U盘）的功能。3、硬件系统设计（1） 嵌入式处理器选型设计由于AT89C51SND1C芯片中集成有CPU、MP3解码器和USB控制 器，可以大大简化硬件设计的复杂度，而且成本不算很高，所以 本次课程设计打算采用AT89C51SND1C芯片做为系统的嵌入式处理 器。AT89C51SND1C是美国ATMLE公司针对MP3解决方案新生产的一 款芯片，具有C51内核，AT89C51SND1C在原有的89C51的基础上增 加了MP3解码模块，支持48、44.1、32、24、22.05、16KHz采样频 率,左右声道独立的音量控制,重低音、中音、高音均衡

9、控制,重低 环绕声效果，辅助数据输出等功能。还增加了I2C/PCM音频输出模 块，串并行接口模块(USB, SPI，IDE)，以及其他的外存储器接 口模块。AT89C51SND1C芯片包括8个功能块：(1) MP3音频解码器：AT89C51SNDlC可实时解码MP3数据为PCM 音频数据，同时也支持MP3其他频率。解码器也支持其它特性如声 音控制、低音放大、辅助数据提取等(2) 音频输出接口：允许音频解码位流以不同的格式输出。(3) 通用串行总线(USB)接口 ：支持USB存储类的MP3音频解码 文件下载；支持USB固件类升级的在系统编程。(4) 外插闪存卡接口：该接口适应多媒体卡模式的2.2

10、规范允 许移动闪存卡上音频解码文件的存储，这样在应用时可轻易地插 入和拔除，此接口亦可用于在系统编程。(5) IDE/ATAH接口：该接口允许C2LROM读卡机、压缩闪卡、 硬盘等驱动设备的连结。由一个具有低电平ANSI规范的16位双向 总线部分组成，具有多存储接口，但只能用于连接C2LROM时的在 系统编程。(6) 串行外设接口：支持主模式和从模式，具有以下功能：MP3 音频解码文件存储到数据闪存的接口；主机远程控制芯片。(7) 双线控制器：支持4个标准的主模式和从模式，多主性能。 具有以下功能：从设备如LCD控制器、音频DAC的连接；主机远程 控制AT89C51SND1C芯片及在系统编程。

11、(8) A/D控制器：2道10位模数转换.具有电源管理、录音等 功能。(2) 存储系统设计AT89C51SND1芯片具有64K字节的闪存程序空间和4K字节引 导闪存以及2304字节的RAM存储器，利用微处理器核对数据流和 MP3解码器进行控制，其中地址从F000FFFF的区域为4K字节的 Boot Flash,这部分程序是出厂时已经固化的BootLoader代码，它 使用DFU(Device Firmware Update设备固件升级)协议来更新芯 片FLASH存储器中的用户程序。芯片上电后即执行Boot Loader, 支持 USB 接口在线下载固件,这样,不需要硬件烧写器便可下载目 标代码

12、到芯片，降低了芯片开发的投资。AT89C51SND1芯片用两种 不同的空间提供数据内存访问。内部空间被映射成3个独立的段： 低128B RAM段、高128B RAM段、扩展的2048B RAM段；外部空 间。在这里外部RAM扩展我选择了 32KB的SRAM芯片HY62WT08081E, 存储空间的分配如表3.1所示：表3.1 SRAM存储空间地址分配地址范围说明0000h-07FFh内部扩展SRAM0800h-7FFFh外部扩展SRAM表3.2 ROM存储空间地址分配地址范围说明OOOOh-EFFFh用户程序空间FOOO-FFFFhBoot Flash外存储采用闪存K9F5608,它共有8个I

13、/O引脚，另外有指令 锁存允许线、地址锁存允许线、芯片启用线、读激活线、写激活 线、就绪/忙碌输出线、输出缓冲区电源线、设备电源线。 K9F5608 闪存拥有 32MB 存贮量。它在数据写入和数据读出的时候使数据 在I/O缓冲区与存储区之间传递。K9F5608闪存采用8位I/O线复 用方式。当CE信号线为低电平时，激活WE信号线（即WE为下降沿）， 则指令，数据，地址都是由8条I/O线写入。数据锁存是在WE的 上升沿。通过复用 8 条 I/O 线，数据，地址，指令分别由 CLE， ALE控制传输。由于K9F5608闪存拥有32MB的存贮量，所以需要 24条地址线。所以需要3个总线周期寻址。这三

14、个周期分别为行 周期，低列周期，高列周期。对层（page）的读操作和程序操作 由于需要指令的输入所以也需要3个周期。在块的擦写中，需要2 个周期。3） 键盘设计AT89C51SND1C芯片已经提供了完善的键盘接口，引脚为KINO、 KIN1、KIN2、KIN3。在这里我直接借用它的键盘接口，直接将开 关按键接入到这四个引脚，分别作为STOP、FFW、REW、PLAY/PAUSE 按键。(4) D/A转换和音频处理设计由于AT89C51SND1C中只带有MP3解码模块，所以需要对MP3 解码出来的数字信号进行D/A转换得到模拟信号，然后经过伴音 处理芯片TDA7050,输出到耳机。D/A转换芯片

15、我选用的是CS4330。 这个芯片工作电压为3V或者5V,所以电源提供的3.3V电压并不 能完全满足它的要求，这里我加上两个电容C37(0.1uF)和 C38(10uF)进行处理，给CS4330提供稳定的电压。AT89C51SND1C 的DOUT引脚直接接到CS4330芯片的SDATA引脚。TDA7050芯片进 行伴音处理，它的最大电压为6V,正常输入电压为3V,这里分别 将CS4330的AOL,AOR两个引脚输入接到芯片的IN1-和IN2-两个 引脚，芯片处理后，输出OUT1和OUT2为左右声道的声音。电路 原理图如下所示：图3.1 D/A转换和音频处理电路图5) 电源设计使用Max1677芯片进行电压转换,将两节七号干电池电压升至3.3V。连接USB口处:用AS117把5V电压降至3.3V,并保证3.3V电压 的输出。电源设计图如下所示：图 3.2 电源设计图（6） 中断分配AT89C51SND1C 芯片内部集成了很多功能部件，也提供了完善 的中断机制，表 3.2 是中断系统信号表，表 3.3 是本系统用到的 中断的中断优先级和中断向量表。表 3.3 中断系统信号信号名称描述选择引脚INT0外部中断0P3.2INT1外部中断1P3.3KIN3:0键盘中断输入P1.3:0表3.4中断优先级和中断向量表中断名优先