基于ATmega128L的大容量MP3播放機(jī)

　　摘要：介紹Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128L單片機(jī)的特點(diǎn)；提出一種以硬盤為存儲(chǔ)介質(zhì)的MP3播放機(jī)的設(shè)計(jì)方案；給出硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思路。

    關(guān)鍵詞：ATmega128L MP3播放機(jī) 解碼器LCD

引言

　　以Flash為存儲(chǔ)介質(zhì)的MP34播放器，由于其體積小、攜帶方便、價(jià)位合理及其時(shí)尚的外圍觀設(shè)計(jì)，受到很多人的青睞。但Flash的價(jià)位由于受其制造工藝的制約一直居高不下，從而使MP3播放器的容量僅限于32M、64M、128M等幾個(gè)檔次。本文旨在提出一種以筆記本硬盤為存儲(chǔ)介質(zhì)的MP3播放機(jī)的設(shè)計(jì)方案。該款播放機(jī)既具有移動(dòng)硬盤的功能，又可作為MP3播放機(jī)使用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128L作為主控MCU。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如1所示。PC機(jī)通過USB接口實(shí)現(xiàn)對硬盤的管理和對MP3歌曲、文檔等數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先將硬盤上的一部分MP3歌曲送入Flash中存儲(chǔ)，由MCU控制將儲(chǔ)存于Flash中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模塊把解碼輸出轉(zhuǎn)換為模擬音頻聲音后，經(jīng)一級(jí)音頻放大并驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)MP3歌曲的播放功能。在按鍵的控制下，通過LCD中菜單選項(xiàng)的選擇，實(shí)現(xiàn)對歌曲播放模式、聲音音效、液晶對比度的調(diào)度以及歌曲選擇等功能；在播放的同時(shí)，LCD上顯示的信息除滾動(dòng)的歌曲名稱、演唱者、碼流率等ID3信息外，還包括系統(tǒng)供電電池的電量及歌曲播放模式等圖標(biāo)。

　　系統(tǒng)包括主控MCU、硬盤、Flash緩存、按鍵、LCD、解碼器和D/A轉(zhuǎn)換器等幾部分。

2 ATmega128L的主要特點(diǎn)

　　ATmega128L內(nèi)核為AVR，具有以下特點(diǎn)：

　　*先進(jìn)的RISC架構(gòu)，內(nèi)部具有133條功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，而且大部分指令是單周期；32個(gè)8位通用工作寄存器+外圍接口控制寄存器。

　　*內(nèi)部有128KB在線可重復(fù)編程Flash、4KBEEPROM和4KB SRAM。

　　*有53個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使功能口和I/O口可以復(fù)用，大大增強(qiáng)了端口功能和靈活性，提高了對外圍的開發(fā)能力。

　　*內(nèi)部有2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和2個(gè)具有比較/捕捉寄存器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器；1個(gè)可編程看門狗定時(shí)器；2通道8位PWM通道；8路10位A/D轉(zhuǎn)換器；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；片內(nèi)精確的模擬比較器等。

    *功耗低。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等幾種省電模式下；可軟件編程選擇時(shí)鐘頻率。ATmega128L的軟件結(jié)構(gòu)也是針對低功耗而設(shè)計(jì)的，具有內(nèi)外多種中斷模式。豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中查詢的需要，可以方便地設(shè)計(jì)出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序、上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測。

　　*帶JTAG接口。通過該口利用JTAG仿真器，可以很方便地實(shí)現(xiàn)程序的在線調(diào)試和仿真，編譯調(diào)試正確的代碼，通過JTAG口直接寫入ATmega128的Flash代碼區(qū)中。另外，支持Bootloader功能，即MCU上電后，首先通過駐留在Flash中的BootLoader程序，將存儲(chǔ)在外部媒介中的應(yīng)用程序搬移到ATmega128L的Flash代碼區(qū)。搬移成功后自動(dòng)去執(zhí)行代碼，完成自啟動(dòng)。這對于產(chǎn)品化后程序的升級(jí)和維護(hù)提供了極大的方便。

　　*電源電壓為2.7～5.5V

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的各個(gè)接口模塊

3.1 MCU與硬盤的接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇2.5英寸的筆記本硬盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)。筆記本硬盤接口是標(biāo)準(zhǔn)并行IDE接口。MCU與硬盤的接口電路如圖2所示。ATmega128L的PA、PC口與硬盤的16根數(shù)據(jù)線相連。IDE接口是基于寄存器結(jié)構(gòu)的，所有對硬盤的控制操作均通過對相應(yīng)寄存器操作來實(shí)現(xiàn)。IDE接口的硬盤驅(qū)動(dòng)器有16個(gè)寄存器，分為2段，每段有8個(gè)寄存器，兩段寄存器的選擇由CS0、CS1來確定，通過DA0、DA1、DA2來選通每個(gè)段的8個(gè)寄存器。寄存器如表1所列。IDE接口有兩種傳輸模式：PIO模式和DMA模式。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用PIO傳輸模式。PIO傳輸模式由處理器負(fù)責(zé)信息的傳輸，硬盤以扇區(qū)為單位與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；在進(jìn)行扇區(qū)讀寫時(shí)，一次通過端口的數(shù)據(jù)為16位。8G以上的硬盤支持CHS、LBA兩種尋址方式，尋址方式的選擇通過驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器的第6位控制。通過LBA尋址方可以實(shí)現(xiàn)對硬盤的每一個(gè)物理地址的訪問。

表1

3.2 Flash接口

　　作為便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，功耗問題是一個(gè)要重點(diǎn)解決的問題。作業(yè)存儲(chǔ)介質(zhì)的硬盤，其工作電壓為5V，最大功耗可達(dá)20W，硬盤工作時(shí)間的長短對系統(tǒng)功耗將產(chǎn)生直接的影響。由于硬盤提供了STANDBY、IDLE、SLEEP等幾種低功耗運(yùn)行模式，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，考慮使用一片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器作業(yè)緩存，即首先將存儲(chǔ)硬盤中的一部分音頻壓縮文件送入Flash中存儲(chǔ)（文件數(shù)目由Flash的容量決定），然后控制硬盤進(jìn)入SLEEP低功耗模式。存儲(chǔ)在Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)入解碼芯片中進(jìn)行解碼。待Flash中所有音頻文件播放完，則喚醒硬盤重新進(jìn)入正常的工作模式，啟動(dòng)下一次的數(shù)據(jù)緩存任務(wù)。

    系統(tǒng)中采用Sumsung公司生產(chǎn)的KM29U128T Flash存儲(chǔ)器作為緩存。KM29U128T是16M