基于MTM809的硬盤(pán)MP3的硬件設(shè)計(jì)與分析

　　一 MTM809處理器系統(tǒng)簡(jiǎn)介

MTM809是一款以8051CPU為核心的嵌入式處理器。作為專門(mén)應(yīng)用于便攜式系統(tǒng)的MCU，它采用0.25μm CMOS工藝，內(nèi)核運(yùn)行電壓2.5V，IO輸入輸出電壓3.3V。它的在片資源豐富，內(nèi)嵌有USB2.0控制器，一個(gè)FLASH卡讀卡器控制器，ATA/ATAPI硬盤(pán)控制器及一個(gè)MP3解碼器等外設(shè)。在各個(gè)外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送由于不需要CPU的介入而使得數(shù)據(jù)的傳送效率很高。MTM809的主要特性如下：

　　1．256B的內(nèi)部在片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，10KB的數(shù)據(jù)SRAM，64KB的ROM和內(nèi)嵌I2C，SPI和UART/RS-232接口，2個(gè)在片ADC，RTC電路。

　　2．與USB2.0全兼容的接口: 支持多配置和多界面的高速（480Mbps）及全速（12Mbps）數(shù)據(jù)傳送，具有一個(gè)設(shè)備地址和三個(gè)端點(diǎn)（Endpoint）。

　　3．支持SM 卡/CF卡/SD卡/MMC卡/xD卡/MS（Pro）卡/ PC ATA卡接口和微硬盤(pán)/ATA/ATAPI設(shè)備接口。

　　4．內(nèi)嵌具有I2S總線接口的MP3解碼器。

　　5．帶有LCD接口。

　　二 MTM809系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　MTM809系統(tǒng)內(nèi)部框圖如圖1所示。

　　下面介紹MTM809 SOC的主要組成部分：

　　1．微控制器(Micro-controller)

　　微控制器以單周期DCD 8051為CPU為核心，主要特點(diǎn)有：

　　(1) 在軟件上與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80390兼容;

　　(2) 增強(qiáng)的單周期精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)；

　　(3) 256B的內(nèi)部在片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，10KB的數(shù)據(jù)SRAM，64KB ROM;

　　(4) 15個(gè)中斷源兩個(gè)優(yōu)先級(jí)；具有與特殊功能寄存器的界面；

　　(5) 外設(shè)包括：內(nèi)嵌的I2C總線主控制器，SPI總線主控制器，三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)UART，四個(gè)8位的GPIO端口及看門(mén)狗定時(shí)器;

　　(6) 支持電源管理功能。

　　2．開(kāi)關(guān)盒(Switch Box)

　　MTM809內(nèi)部的開(kāi)關(guān)盒在不需要微控制器介入的情況下為各個(gè)外設(shè)之間大數(shù)據(jù)的傳送提供通道。圖1中的FLASH控制器邏輯電路、ATA控制器邏輯電路和USB控制器邏輯電路都需要DMA功能，故在這些外設(shè)中內(nèi)建有DMA。

　　3.各類存儲(chǔ)器接口(Storage Interface)

　　FLASH 存儲(chǔ)器接口是FLASH卡與其他外設(shè)數(shù)據(jù)交換的橋梁。一方面，它能夠與每一種卡通信，另一方面，它實(shí)現(xiàn)在其他外設(shè)之間數(shù)據(jù)的交換。在FLASH 存儲(chǔ)器接口與其他外設(shè)之間是MMU（Memory Management Unit）。

　　ATA 存儲(chǔ)器接口是硬盤(pán)UDMA、CF卡控制器與其他外設(shè)接口數(shù)據(jù)交換的橋梁。

　　USB 接口是USB數(shù)據(jù)包管理器與其他外設(shè)接口數(shù)據(jù)交換的橋梁。

　　4. 音頻邏輯電路(Audio Logic Interface)

　　MTM809的內(nèi)部解碼器將MP3的數(shù)據(jù)流解碼為PCM采樣數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送到音頻緩沖區(qū)，最后這些數(shù)據(jù)將通過(guò)I2S總線傳送到片外的DAC。當(dāng)實(shí)現(xiàn)錄音回放或測(cè)試功能的時(shí)候，微控制器可直接將音頻采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入到音頻解碼接口。

　　5. 液晶顯示器（LCD） 接口

　　具有支持狀態(tài)LCD控制/驅(qū)動(dòng)器的接口，并帶有專用EL背光控制引腳。

　　三 硬盤(pán)MP3播放器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由分析可知，系統(tǒng)的主要功能是提取存儲(chǔ)在硬盤(pán)中的MP3數(shù)據(jù)，將其解碼得到PCM數(shù)據(jù)，再將該數(shù)據(jù)輸送到語(yǔ)音芯片，語(yǔ)音芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換PCM數(shù)據(jù)得到模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器輸出給耳機(jī)或喇叭。同時(shí)，該系統(tǒng)都可作為一個(gè)大容量移動(dòng)硬盤(pán)使用。

　　因此，系統(tǒng)主要包括硬盤(pán)電路、MP3播放電路兩個(gè)部分。另外為了從計(jì)算機(jī)上拷貝MP3等數(shù)據(jù)到硬盤(pán)上，本系統(tǒng)還需要一個(gè)計(jì)算機(jī)通信的接口。

　　由于MTM809內(nèi)部嵌入了MP3解碼邏輯電路，這給我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)帶來(lái)了方便。同時(shí)我們還可以選擇片內(nèi)帶有放大器的語(yǔ)音芯片使本系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化。通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)是一種快速、靈活的高速總線接口。與其他通信接口比較，USB接口的最大特點(diǎn)是易于使用，應(yīng)用范圍廣。MTM809帶有USB控制器 ，因此，選擇USB接口作為系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信的接口是顯而易見(jiàn)的。

　　1. USB接口設(shè)計(jì)

　　眾所周知在進(jìn)行一個(gè)USB設(shè)備開(kāi)發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB控制器。目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的USB控制器主要有兩種：帶USB接口的單片機(jī)（MCU）或純粹的USB接口芯片。MTM809就是一種帶USB控制器的MCU，它支持USB2.0協(xié)議，這使得MTM09在設(shè)計(jì)上非常簡(jiǎn)單。

　　一個(gè)USB接口有兩根數(shù)據(jù)線（DM,DP）和電源線（VCC,GND）。MTM809的USB模塊的對(duì)外接口線分別為：DM,DP,UVDD,UVSS。設(shè)計(jì)時(shí)，只要將數(shù)據(jù)線和電源線對(duì)應(yīng)連接就可以了。MTM809的USB接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　2. 硬盤(pán)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在選擇硬盤(pán)時(shí)，應(yīng)選用帶標(biāo)準(zhǔn)接口的通用硬盤(pán)，并且體積小，重量輕，容量大，功耗低。

　　日立(Hitachi)公司開(kāi)發(fā)的Travelstar系列硬盤(pán)專門(mén)為便攜式設(shè)備而設(shè)計(jì)：價(jià)格低；受沖擊能力強(qiáng)；體積?。╩m）：100×70×9.5（長(zhǎng)×寬×高，2.5 英寸時(shí)）；容量大：20～80GB不等；功率消耗指數(shù)低于0 .033 W/GB；接口簡(jiǎn)單：標(biāo)準(zhǔn)ATA接口。

　　日立硬盤(pán)的接口引腳說(shuō)明如表1所示。

　　MTM809與硬盤(pán)接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　圖中硬盤(pán)被設(shè)置在主工作模式下（CSEL引腳置為高電平）。為了顯示硬盤(pán)是否工作，利用引腳/DASP在硬盤(pán)工作時(shí)的電平變?yōu)榈碗娖竭@一特性設(shè)計(jì)了一個(gè)由PNP三極管和發(fā)光LED組成的狀態(tài)顯示電路。

　　3. MP3播放電路設(shè)計(jì)

　　MTM809芯片內(nèi)部集成MP3解碼電路和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對(duì)片外的DAC的接口采用的是I2S總線。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選擇具有I2S總線接口的CODEC芯片。在設(shè)計(jì)中，我們選擇CODEC芯片的型號(hào)為WM8721。它是專門(mén)為便攜式MP3音頻與語(yǔ)音播放器/錄音器而設(shè)計(jì)的：功耗低，語(yǔ)音播放時(shí)的信噪比可達(dá)100dB。內(nèi)部集成了雙耳式耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制界面可選擇為兩線或三線串行總線接口。

　　WM8721封裝形式為28引腳SSOP時(shí)，引腳的說(shuō)明如表2所示。

　　MTM809與WM8721之間的設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　WM8721的工作模式被設(shè)置為從模式，其控制界面選擇為三線制MPU控制界面（MODE被置為高電平）。設(shè)計(jì)中利用MTM809的SPI總線接口（時(shí)鐘引腳EECLK, 數(shù)據(jù)輸出引腳EEDO, 片選引腳EECS1）作為WM8721的控制界面。MTM809的I2S總線引腳（ADO, ADI,AWS,ABCK,AMCK）按圖中所示的方式與WM8721的總線引腳連接，這些引腳負(fù)責(zé)與WM8721進(jìn)行通信將解碼后的MP3數(shù)據(jù)傳送到CODEC。WM8721的引腳LPOUT、RPOUT輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換后的音頻信號(hào)，將這兩引腳直接與耳機(jī)插座的信號(hào)引腳對(duì)應(yīng)連接起來(lái)即可。