基于单片机的便携式mp3播放器设计.docx

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基于单片机的便携式mp3播放器设计

1便携式MP3播放器基本原理

本章首先讨论便携式MP3播放器的结构、然后介绍多种存储器类型、接着介绍各种通信接口及其扩展功能，其中简要介绍了USB2.0通信协议。

最后说明便携式MP3播放器的扩展功能。

1.1便携式MP3播放器的结构

对于便携式MP3系统，主要考虑的是其体积小巧、低功耗、高容量、低价格。

当前流行的MP3播放器其主要结构如图2.1所示。

可见，一个MP3播放器主要应包括：

（1）单片机控制系统

（2）大容量的移动存储设备

（3）MP3解码器

（4）D/A转换芯片

（5）音频放大电路

（6）USB接口

（7）LCD显示和键盘电路

图2.1MP3播放器的主要结构示意图

事实上，随着MP3播放器的激烈竞争和产品开发的发展。

一些芯片厂商已经推出了集成MP3解码及其它附加功能的单片机，使MP3播放器向集成化发展，如ATMEL的AT89C51SND1芯片。

另一方面，MP3播放器的附加功能也越来越具有吸引力，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，在MP3播放器集成时钟功能等。

总之，MP3播放器在不断集成化的同时，功能正朝着多样化方向发展。

2.2MP3播放器的通信接口

2.2.1MP3播放器的通信接口

MP3的通信方式已从PC并口的Normal方式过渡到ECP或EPP方式，上/下载速率从100Kbytes/s上升到300Kbytes/s；最新的产品，大多已经使用了支持热插拔的USB接口，通信速率最高可达400到500Kbytes/s，用户下载32Mbytes的MP3音乐只需大约一分半钟时间，大大缩短了用户上/下载MP3音乐的时间，有的甚至采用了USB2.0接口。

当前，USB已经是便携式MP3通信接口的主流标准，不过，将来甚至可能采用1394火线技术。

2.2.2USB2.0简介

通用串行总线（USB）是由INTEL，DEC，MICROSOFT和IBM等公司联合提出的一种新的串行总线标准，主要用于PC机与外接设备的互联。

众所周知，计算机外设的丰富及消费电子设备与计算机连接的实现，扩展了PC的应用空间，同时外设的日益丰富也给用户造成了连接上的困难。

USB技术的提出就是基于通用连接技术实现外设的简单连接，以达到方便用户，降低成本，扩展PC机外设的目的。

通用串行总线是一种快速，灵活的总线接口。

与其它通信接口比较，USB接口的最大特点是易于使用，这也是USB的主要设计目标。

作为一种高速总线接口，USB适用于多种设备，其易于使用表现在USB接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无须用户干预。

2.2.3USB协议的传输速率

USB是一种支持在USB主机和USB设备之间进行串行数据传输的通信协议。

主机作为总线的主叫方，采用两种信令模式：

全速模式12Mb/S和低速模式1.5Mb/S。

目前普通采用的USB1.1主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速率有低速1.5Mb/S和全速12Mb/S两种。

扣除用于总线状态，控制和错误监测等的数据传输，USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/S或9.6Mb/S，高于一般的串行总线接口。

现在的2.0可以达到500Mb/S。

总的来说，中速的传输是同步的，低速的数据来自交互的设备。

USB设计的初速率是针对桌面计算机而不是应用于可移动的环境下的。

软件系统通过对各种主机控制器提供支持以保证将完成USB的扩充。

2.2.4USB的4个层次

·USB物理设备（USBphysicaldevice）：

USB上的一种硬件，可运行一些用户程序。

·客户软件（dentsoftware）：

为一个特定的USB设备而在主机上运行的软件。

这种软件由USB设备的提供者提供或由操作系统提供。

·USB系统软件（USBsystemsoftware）：

此软件用于在特定的操作系统中支持USB，它由操作系统提供。

与具体的USB设备无关，也独立于客户软件。

·USB主机控制器（USBhostcontrovert）：

总线在主机方面的总和。

用于支持USB设备通过USB连接到主机上。

一台主机与一个USB设备间的连接是由许多层上的连接组成的。

USB总线接口层提供了在主机和设备之间的物理连接，发送连接，数据包连接。

USB设备层对USB系统软件是可见的，系统软件基于它所见的设备层完成对设备的一般的USB操作。

应用层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。

USB设备层和应用层的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由USB总线接口层速完成。

2.3便携式MP3播放器的扩展功能

播放数字音乐的同时，消费者还希望能够有多种功能，比如用于实时记录语音信号等，一些厂商在他们的MP3中又加入了使用G.726标准的ADPCM语音编码算法，实现MP3的实时语音录音功能，由于该算法的编码速率为32Kbps，因而可以在32Mbytes的Flash中连续录音2个小时左右，能够满足一般记录语音的质量要求。

许多MP3还具有日历、秒表甚至万年历等辅助功能。

此外，市面上还出现了嵌入MP3播放器功能的各种形式的电子产品，如能够播放MP3的手机，PDA，车载音响和数字相机等。

2便携式MP3播放器的方案分析

本章分两大部分MP3播放器的硬件解决方案和MP3播放器的软件解决方案[4]。

硬件方面包括：

基于分离芯片的MP3播放器方案、基于集成MP3功能单片机的MP3播放器方案、基于定制ASIC电路的MP3播放器方案及彩FPGA实现MP3播放器的方案。

3.1MP3播放器的硬件解决方案

从技术角度上说，MP3播放器存在多种方案，其分类方法也较多。

这里仅从主要的MP3解码芯片类型，即按MP3播放器内部的主要芯片类型进行分类，大体可分为：

·基于分离芯片的MP3播放器（存在多种方案）

·基于集成MP3功能单片机（MCU）的MP3播放器

·基于定制ASIC电路的MP3播放器

·采用FPGA实现MP3播放器的方案

2.1.1基于分离芯片的MP3播放方案

采用分离芯片的MP3的播放器，主要包括MP3解码芯片、立体声D/A转换芯片、移动存储设备、微控制器芯片（单片机）和LCD显示电路等，下面分别介绍这些芯片的可选方案，并简述其技术特性。

1、MP3解码芯片

早期的MP3播放器大多采用基于解码芯片的方案，随着MP3播放器市场的发展，几乎所有的半导体公司都推出了自己的MP3解码芯片和MP3解决方案。

2、立体声D/A转换器

立体声D/A转换器是MP3播放器极其重要的部件。

其功能是将已经解码的立体声位流数据转换为合适大小级别的模拟电压，并通过耳机或扬声器进行播放。

可以说，人们从MP3播放器听到的声音质量几乎完全取决于该部件，因此，选择一个高质量的D/A转换器是至关重要的。

3、微控制器（单片机）

对MP3播放器而言，一个微控制器是必需的，作为播放器的控制器，它从内存中读入数据，并将数据发送给MP3解码器，获取键盘和按钮的输入，处理用户选择，并提供给LCD控制器控制信号和数据。

4、大容量的可擦除存储器

对于便携式MP3播放器，大容量的可擦除存储器是其必备的，同时该设备的类型，质量和容量大小，直接决定了MP3播放器的价格，当前MP3播放器都具有大容量的可擦除存储器，而且其容量有越来越大之趋势。

5、液晶显示面板

为了实现良好的交互操作，MP3基本上都提供了一个液晶显示面板LCD,主流的MP3通常都采用字符型LCD。

2.1.2基于集成MP3功能单片机的MP3播放方案

当前市场比较流行的是基于集成MP3功能单片机的MP3播放器，该方案仅需少量的外围器件就可以构成MCU单芯片的MP3播放器，这些芯片提供丰富的接口功能。

2.1.3基于定制ASIC电路的MP3播放器方案

MP3播放器有一块定制的ASIC电路，它比通常MCU的功能要强大，且速度也快。

由于该设计的ASIC具有并口和USB口可复用通信的特性，因而使用不同连接电缆和适配器，就能够实现与PC机不同的通信方式，对于PC仅有并口的用户和具有USB口的用户均能使用该款机器。

使用PC并口通信时，最高可达300KB/s的通信频率；使用USB通信时，最高可达400～500KB/s的通信频率。

2.1.4采用FPGA实现MP3播放器的方案

Xilinx公司采用了具有现场可编程门阵列（FPGA）的MP3，实现具有先进用户接口特性的MP3播放器。

其中，FPGA器件主要用于实现存储器与输入/输出器件的管理和接口功能。

2.1.5各个方案的比较

基于分离芯片的MP3播放器成本大，现在已经逐渐淘汰。

现在大部分采用的是基于集成MP3功能单片机的MP3播放方案。

基于定制ASIC电路的MP3播放器方案的显著特点是电路集成度高，可降低成本，扩展功能，增强竞争力，但不普及。

采用FPGA实现MP3播放器的方案比较完美，但难度大我没有采用。

基于以上分析，又由于本人能力和时间所限，本文采用基于集成MP3功能单片机进行MP3的研究和设计。

4基于AT89C51SND1的MP3播放器设计开发

AT89C51SND1C单片机是ATMEL公司的系列单片机之一，本章将以该芯片为核心来开发MP3播放器。

4.1系统分析

本系统主要实现一个MP3播放器的功能，由于涉及文件传输和存储问题，所以附带需要实现USB存储器的功能。

整个系统由AT89C51SND1C（MCU）、K9F2808U0A（Flash芯片），电源部分、音频部分、串行通信部分和人机接口部分组成。

·MCU部分:

控制整个系统，提供USB控制和MP3解码功能；

·Flash芯片：

存放系统文件；

·电源部分：

提供系统工作所需要的电源，包括1个升压和1个降压部分；

·音频部分：

把数据流转化为声音信号；

·人机接口部分：

包括按键和LED指示等等

为了方便调试，系统中还提供了串行通信部分，在这个部分中主要详细介绍电源、音频部分。

·电源部分：

整个开发板上所有芯片统一采用3.3伏供电，对开发板的供电采取2种形式：

USB供电和7号电池供电。

USB供电模式：

USB供电参数如下：

USB接口提供5V电压和200mA电流，Imax=500mA；PC机为500mA；笔记本电脑为100mA。

由于AT89C51SND1所需要的电压为3V（±10%），25mA，所以能够满足需要。

把5V电压转为成3.3V电压方案有两种：

电位器分压和DC-DC芯片。

在ATMEL提供的开发板中采用的是第一种方案，为了保证输出电压的稳定，我采取第2种方案：

第2种方案备选芯片为AS1117和MAX1626/7，参数比较如表4.1所列。

表4.1降压电源芯片比较

名称

性能

价格

AS1117

IOUT=10mA，VIN=5.0V

0≤IOUT≤800mA，4.75≤VIN≤10V

1元

MAX1626/7

15≤IOUT≤50mA，3.0≤VIN≤16.5V

$1.50

电池供电模式：

考虑到产品的完整性，故同时设置用7号干电池进行供电的模式，这就需要一个1.5～3.3V的DC芯片，备选芯片为LM2621和MAX1642/3。

参数比较如表4.2所列。

本设计中选MAX856芯片。

表4.2升压电源芯片比较

名称

性能

价格

LM2621

1.2至14VInputVoltage

1.24至14VAdjustableOutputVoltage

Upto1ALoadCurrent

$0.75

MAX856

Vout=3.3V0.7≤Vm≤1.65VIout=0.03A

$1.76

结合比较，在系统设计中我们分别选择芯片AS1117和MAX856。

·音频部分：

AT89C51