基于51單片機(jī)的MP3方案設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)便攜式音樂(lè)播放器要求的提高，MP3播放器以其較小的體積和較好的音質(zhì)贏得了廣大音樂(lè)愛(ài)好者的青睞。起初，MP3文件只能由電腦來(lái)播放，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，促進(jìn)了MP3播放器的產(chǎn)生，隨著人們對(duì)MP3產(chǎn)品進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和更高層次的需求，MP3發(fā)生了一系列的變化，其更加小巧精致，更人機(jī)化和情趣化，個(gè)性區(qū)分也越來(lái)越強(qiáng)。還出現(xiàn)了功能的融人和產(chǎn)品的整合，總之，MP3播放器正朝著功能強(qiáng)大、外觀豐富、價(jià)格便宜的方向發(fā)展。這里提出一種基于AT89C51SND1C的MP3播放器設(shè)計(jì)方案。

1 MP3播放器簡(jiǎn)介
MP3播放器是一種新興的數(shù)字音樂(lè)播放器，播放MP3、WMA等格式的文件。通過(guò)用MPEG-1 Layer 3編碼技術(shù)，可以得到大約12：1壓縮的有損音樂(lè)信號(hào)。盡管MP3音樂(lè)是有損的，它在壓縮過(guò)程中對(duì)功率譜較弱的信號(hào)有所丟失，但它同CD原聲區(qū)別不大，不影響一般音樂(lè)愛(ài)好者對(duì)音樂(lè)的欣賞。MP3大大縮小了聲音文件的長(zhǎng)度，使音樂(lè)的存儲(chǔ)和傳輸更方便。
1．1 結(jié)構(gòu)
MP3播放器一般分成3個(gè)部分：CPU、MP3硬件解碼器存儲(chǔ)器。其中可以將前兩部分集成在一起，即帶MP3硬件解碼器的CPU；或?qū)⒑髢刹糠旨稍谝黄?，即集成硬件解碼、D／A轉(zhuǎn)換及音頻輸入。存儲(chǔ)器可以是Flash存儲(chǔ)器或硬盤(pán)。綜合考慮元器件性價(jià)比等各方面的因素，選定方案為：1)CPU+MP3解碼器+USB控制器：AT89C51SND1C；2)D／A轉(zhuǎn)換器：CS4330；3)音頻放大器：任意雙路運(yùn)算放大器即可；4)存儲(chǔ)器：K9F120 8；5)串口調(diào)試選用串口電平轉(zhuǎn)換器：MAX3232；6)MP3屏幕顯示器：LCD1602。
1．2 功能
在該硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51SND1C作為主控MCU，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：1)能對(duì)MP3或WMA格式的文件進(jìn)行解碼播放；2)可以進(jìn)行模擬音量，音效調(diào)節(jié)，聲道選擇，音量的范圍：+18～+75 dB，最小為靜音；3)可對(duì)歌曲進(jìn)行選擇，具有進(jìn)、退、快進(jìn)、快退功能及指定播放第幾首歌曲的功能；4)通過(guò)USB接口，可直接從PC機(jī)上高速下載音樂(lè)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音編碼格式壓縮和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 MP3播放器工作原理
MP3播放器的基本工作原理如圖1所示。通過(guò)USB接口把Flash存儲(chǔ)器上的MP3或者WMA等格式的數(shù)字音樂(lè)文件，送到主芯片內(nèi)部集成的解碼芯片進(jìn)行解碼，這些音樂(lè)文件經(jīng)過(guò)解碼后解碼為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)，再通過(guò)功率放大器進(jìn)行音頻放大，最后通過(guò)耳機(jī)輸出。本系統(tǒng)的一般工作過(guò)程如下：當(dāng)用戶要求播放MP3音樂(lè)時(shí)，如果在該系統(tǒng)Flash存儲(chǔ)器里沒(méi)有歌曲，可以通過(guò)USB接口連接PC機(jī)來(lái)下載音樂(lè)文件到存儲(chǔ)芯片中；若該系統(tǒng)中已存有MP3歌曲，用戶可根據(jù)顯示屏上的文件名選擇或者順序選擇MP3文件，選擇文件后主芯片將所選的音頻文件從Flash閃存中讀到主芯片集成的MP3解碼器解碼后變成數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)按照用戶設(shè)定的外部D／A轉(zhuǎn)換器格式通過(guò)音頻接口輸出的外部A／D轉(zhuǎn)換器，外部A／D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳可接受的模擬信號(hào)并且通過(guò)功率放大器放大后送到耳機(jī)。在播放過(guò)程中可以進(jìn)行音量的增減等的選擇和控制。

3 MP3播放器的設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)方案可以方便地將外部的MP3格式的音樂(lè)文件傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)的存儲(chǔ)器Flash中。由圖2硬件連接框圖可以看出本系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)主要包括：1)主芯片AT89C51SND1C和存儲(chǔ)器K9F1208之間的連接設(shè)計(jì)，包括片選信號(hào)，讀寫(xiě)信號(hào)以及AD信號(hào)的連接；2)主芯片和USB接口的連接設(shè)計(jì)，此部分主要用于MP3文件的傳輸和固件下載；3)主芯片和按鍵以及LCD之間的設(shè)計(jì)連接，用戶通過(guò)顯示屏幕獲取播放器的進(jìn)程信息，通過(guò)按鍵來(lái)對(duì)音樂(lè)進(jìn)行選擇和控制；4)主芯片和D／A轉(zhuǎn)換器之間，這一系統(tǒng)將該系統(tǒng)解碼后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳能識(shí)別的模擬信號(hào)，這一部分主要包括時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)以及反饋信號(hào)的連接；5)電源轉(zhuǎn)換部分，本系統(tǒng)內(nèi)部使用的電源一般為3．3 V，而USB接口以及電池的電源都需要DC-DC部分來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而為系統(tǒng)提供所需的3．3 V電源；6)播放系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的切換電路設(shè)計(jì)。

3．1．1 主電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主芯片采用美國(guó)ATMEL公司的AT89C51SND1C，該芯片是一個(gè)2．5～3．3 V低電壓、80 mW低功耗、運(yùn)算速度高、功能完善、高度集成并且低成本的單芯片數(shù)字(MPEG1，2，2．53)音頻解碼器。其特點(diǎn)如下：1)基于8位C51MCU核(最大時(shí)鐘頻率20 MHz)；2)內(nèi)部集成了單獨(dú)的
MP3解碼器，而且支持48，44．1，32，24，22．05，16 kHz采樣頻率，支持左右聲道獨(dú)立的音量控制(軟件使用31級(jí))、重低音、中音、高音均衡控制(31級(jí))、重低環(huán)繞聲效果、輔助數(shù)據(jù)輸出、“CRC錯(cuò)誤”和“MPEG幀同步”指示；3)有44通用I／O口的嵌入式C51 Nand Flash，SSF-DC，I2S，SPI和IDE多種擴(kuò)展功能接口容易適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合Flash／CD／HDD播放器等；4)具有適應(yīng)市場(chǎng)上不同的D／A轉(zhuǎn)換器的可編程的音頻輸出接口，兼容PCM格式和I2S格式；5)內(nèi)置2 304 B RAM；6)64KB Flash程序空間和4 KB引導(dǎo)閃存(AT89C51SND1)，在系統(tǒng)編程：通過(guò)USB，UART接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程；7)USB1．1控制器，“Full speed”數(shù)據(jù)傳輸；8)內(nèi)置鎖相環(huán)，提供MP3音頻時(shí)鐘和USB時(shí)鐘；9)兼容MultiMedia Card(MMC)卡接口、Atmel Data Flash SPI接口、IDE／ATAPI(硬盤(pán))接口；10)通道10位A／D轉(zhuǎn)換器，8 kHz(8位真有效值)，包括電池電壓監(jiān)視和軟監(jiān)控的錄音；11)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器、硬件看門(mén)狗、帶有波特率發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)通用異步串口、主從I2C控制器、主從SPI控制器；12)電源管理模塊。包括上電復(fù)位、軟件可編程MCU時(shí)鐘和空閑、掉電模式。
AT89C51SND1C內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后實(shí)際就是64K80C51+MP3解碼器+USB，使用該芯片設(shè)計(jì)MP3播放系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如支持在系統(tǒng)編程不需要昂貴的仿真器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低；內(nèi)置2 304 B的RAM，方便用戶增加復(fù)雜的功能。此外，由于該芯片內(nèi)部集成了大量的接口，所以只需要很少的外圍器件如DC-DC，音頻D／A轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，這樣可以做到系統(tǒng)空間很小，這一點(diǎn)正好適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的纖小而功能全面的要求。