基于C51單片機(jī)的MP3播放器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

便攜式MP3播放器作為一種集音頻播放、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一身的數(shù)碼產(chǎn)品，其功能結(jié)構(gòu)為電子設(shè)計(jì)人員所津津樂(lè)道。MP3是MPEG一1音頻III(1ayerIII)的簡(jiǎn)稱(chēng)。MPEG一1音頻(ISO／IECll 172—3)是目前普遍應(yīng)用的音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其中層III的算法最為復(fù)雜，但壓縮比最大，效果也最好，在低碼率的條件下基本能達(dá)到CD的音質(zhì)效果。MP3標(biāo)準(zhǔn)用盡可能低的碼流實(shí)現(xiàn)CD音質(zhì)的聲音而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)損失。如果對(duì)于一段聲音不進(jìn)行壓縮的話，那么每存儲(chǔ)一秒鐘的立體聲CD音質(zhì)音樂(lè)必須用1．4Mbit，這是個(gè)十分大的開(kāi)銷(xiāo)。通過(guò)運(yùn)用MPEG音頻標(biāo)準(zhǔn)的壓縮技術(shù)，我們可以把存儲(chǔ)空間壓縮到原來(lái)的1／12而不會(huì)降低聲音的音質(zhì)。即使使用1／24的壓縮因子，仍然比單純降低采樣率的音質(zhì)要好。低數(shù)據(jù)量和高播放品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)使其成為音樂(lè)存儲(chǔ)、數(shù)字廣播、網(wǎng)上音樂(lè)傳輸?shù)闹饕绞?。人們不僅可以使用計(jì)算機(jī)軟件，還可以通過(guò)數(shù)字隨身聽(tīng)來(lái)欣賞音樂(lè)。本設(shè)計(jì)以C51內(nèi)核單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了MP3播放器。

1 MP3硬件設(shè)計(jì)

在該硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用Atme 1公司生產(chǎn)的AT89C51SNDlC作為主控MCU。AT89C5lSNDlC是ATMEL公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)MP3的需求而設(shè)計(jì)的一款多媒體8位微處理器，使用通用的C51內(nèi)核，片上集成了多種外設(shè)，為MP3產(chǎn)品提供了一套方便的解決方案。該芯片對(duì)電路的高度集成大大降低了系統(tǒng)的耗電和發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度，抗干擾能力也顯著增強(qiáng)。AT89C51SNDlC具有如下外設(shè)的集成，大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)：a．MP3硬件解碼器；b．可編程音頻輸出接口DAC；c．8位MCU C51：d．USBl．1控制器；e．內(nèi)建鎖相環(huán)PLL；f．多媒體卡接口適配器；g．SPI接口適配器；h．IDE／ATAPI接口；i．兩路10位ADC，8kHz；j．44個(gè)通用I／0；k．兩個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；1．硬件看門(mén)狗定時(shí)器；m．標(biāo)準(zhǔn)全工UART；n．兩線主被動(dòng)模式控制器；o．SPI主被動(dòng)模式控制器；p．電源管理模塊。

整個(gè)播放器的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。PC機(jī)通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)對(duì)U盤(pán)的MP3歌曲、文檔等數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，由MCU控制將儲(chǔ)存于Flasht辛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模塊通過(guò)CS4340芯片把解碼輸出轉(zhuǎn)換為模擬音頻聲音后， 經(jīng)功放電路一級(jí)音頻放大并驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)MP3歌曲的播放。系統(tǒng)硬件包括主控MCU、解碼器、Flash存儲(chǔ)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、按鍵和D／A轉(zhuǎn)換器等幾部分。

1．1 解碼部分

這是MP3播放器的核心部件， 本設(shè)計(jì)采用硬件解碼技術(shù)。在本系統(tǒng)中筆者采用AT89C51SNDlC芯片。該芯片是一塊自帶MPEG I／II—Layer硬件解碼器和Human Interface的51內(nèi)核單片機(jī)。它可支持對(duì)8～320kbps基本數(shù)據(jù)流的解碼，支持的取樣頻率范圍為16～48kHz，非常適合于MPEG的音頻解碼， 并帶有數(shù)字語(yǔ)音錄音的MPEG播放模塊， 具有很高的性?xún)r(jià)比。解碼后的信號(hào)是可以直接輸出到DAC的立體聲、單聲道或雙聲道的數(shù)字信號(hào)，SP—CA751A與DAC的接口是可編程的。只要通過(guò)通用的串行I／0口和控制接口就能對(duì)MPEG比特流進(jìn)行I／0和回放控制，系統(tǒng)控制器能很輕易地對(duì)MPEG音頻信號(hào)進(jìn)行解碼。通過(guò)一個(gè)通用的可編程I2S接口，就能把一解碼的音頻PCM數(shù)據(jù)輸出到外部的DAC中，因此，大多數(shù)常用的音頻DAC都能和本芯片兼容，本設(shè)計(jì)采用的是CS4340芯片。

1．2 存儲(chǔ)部分

現(xiàn)采用1GB的FLASH存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)19小時(shí)128kbps(達(dá)到CD音質(zhì))的音樂(lè)，該系統(tǒng)采用了SAMSUNG公司的1GB FLASH存儲(chǔ)芯片K9F5608UOB。

1．3 接口部分

一般通過(guò)PC的USB接口進(jìn)行MP3文件的下載，傳輸速率為12Mbps。由于Atmel公司生產(chǎn)的AT89C5lSNDlC芯片僅支持USBl．1技術(shù)規(guī)范，因此接口速度稍慢。但對(duì)于MP3播放來(lái)說(shuō)，可以滿足需要。

1．4 電源管理

便攜式MP3的體積小，可以使用兩節(jié)7號(hào)電池(3VDC)供電，同時(shí)也可以通過(guò)USB接口取電，因此采用低電壓以及進(jìn)行有效的功率管理是非常必要的。

2 MP3軟件設(shè)計(jì)

硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，軟件是設(shè)計(jì)的靈魂。MP3程序由兩大部分組成：MP3播放功能模塊和USB通訊功能模塊。此外，為了調(diào)試方便，還有調(diào)試功能模塊。此模塊在系統(tǒng)軟件調(diào)試中使用，當(dāng)MP3系統(tǒng)正常工作時(shí)去除。

MP3播放功能模塊的工作分為兩個(gè)部分：

第一部分是循環(huán)播放MP3歌曲，該功能需要首先做一些初始化工作，MP3解碼器一旦開(kāi)始工作，就會(huì)一直向CPU請(qǐng)求數(shù)據(jù)，直至歌曲結(jié)束，只有通過(guò)鍵盤(pán)操作才會(huì)使該功能提前結(jié)束。因?yàn)镸P3文件的數(shù)據(jù)量較大，在flash存儲(chǔ)器內(nèi)是以頁(yè)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的，所以MP3的播放程序初始化就是要把該文件的首地址和頁(yè)數(shù)先讀出到CPU中，然后CPU可以根據(jù)如上數(shù)據(jù)進(jìn)行取數(shù)據(jù)工作。

第二部分則一直在等待中斷發(fā)生，該程序是與鍵盤(pán)結(jié)合起來(lái)的，主要用于使用者對(duì)播放過(guò)程的控制。鍵盤(pán)操作對(duì)MP3播放過(guò)程的控制還包括后退、躍進(jìn)、跳到下一首、音量控制等。因?yàn)檎麄€(gè)播放過(guò)程的鍵盤(pán)控制功能比較單一，沒(méi)有鍵的復(fù)合操作，所以程序都很容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MP3播放器插入到USB接口時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行USB通訊功能模塊，該模塊主要用于對(duì)flash存儲(chǔ)器內(nèi)的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。固件程序是該模塊開(kāi)發(fā)的主要工作，由于AT89C5lSNDlC沒(méi)有外部中斷引腳，USB中斷沒(méi)有中斷向量地址入口，因此該固件程序的框架采用查詢(xún)工作方式。

3 FAT文件格式

因?yàn)樵撓到y(tǒng)還要具有U盤(pán)的功能，所以存儲(chǔ)器中的文件還要能夠讓計(jì)算機(jī)讀寫(xiě)和識(shí)別，也就是所有的文件還要嚴(yán)格滿足計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)格式的要求。在所有計(jì)算機(jī)文件系統(tǒng)中，F(xiàn)AT是比較常用的一種。

一個(gè)FAT文件系統(tǒng)卷由4個(gè)部分組成：保留區(qū)、FAT區(qū)、根目錄區(qū)、文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)。其中保留區(qū)中的第一個(gè)分區(qū)必須是BPB，也稱(chēng)作“引導(dǎo)扇區(qū)”，因?yàn)樗袑?duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的關(guān)鍵信息，計(jì)算機(jī)將以此信息識(shí)別存儲(chǔ)器文件格式，因此十分重要。

FAT區(qū)存放的是文件分配表。操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間是按簇來(lái)分配的，簇是操作系統(tǒng)分配的最小存儲(chǔ)單元，每個(gè)簇在FAT表中占據(jù)一個(gè)16位的位置，稱(chēng)為一個(gè)表項(xiàng)。同一個(gè)文件的數(shù)據(jù)并不一定存放在存儲(chǔ)區(qū)的一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會(huì)分成若干段，像一條鏈子一樣的存放，這種存儲(chǔ)方式稱(chēng)為文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)，必須準(zhǔn)確地記錄哪些簇已經(jīng)被占用，還必須為每一個(gè)已經(jīng)占用的簇指明后繼內(nèi)容的下一個(gè)簇的簇號(hào)，對(duì)于一個(gè)文件的最后一個(gè)簇，則要指明本簇沒(méi)有后繼簇，這些就是由FAT表來(lái)存儲(chǔ)的。

根目錄區(qū)存放的是目錄項(xiàng)，每個(gè)目錄項(xiàng)為32個(gè)字節(jié)，記錄一個(gè)文件或目錄的信息。目錄項(xiàng)所占的空間與目錄項(xiàng)的個(gè)數(shù)有關(guān)。

文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)是真正存放文件數(shù)據(jù)的位置，所有數(shù)據(jù)都是按照以上信息分配存儲(chǔ)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

MP3為取得較好的壓縮效果而采用相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)，寬帶音頻信號(hào)的取樣率也較高(一般為44．1kHz以上)，所以MP3編解碼的運(yùn)算量和數(shù)據(jù)量都相當(dāng)龐大。MPEGLayer III解碼算法在AT89C51SNDlC上驗(yàn)證通過(guò)并獲得較好的效果，在通過(guò)優(yōu)化后可流暢播放。由于51內(nèi)核單片機(jī)的性能限制，在緩沖時(shí)可能會(huì)有停頓。以上內(nèi)容敘述了由AT89C51SNDlC構(gòu)成的最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，具備了便攜式MP3播放器的基本功能。其實(shí)AT89C51SNDlC還支持LCD顯示和IDE接口，還可以通過(guò)對(duì)以上接口模塊進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)成更大更復(fù)雜的系統(tǒng)。