MP3音乐播放器设计.docx

1、MP3音乐播放器设计中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： MP3音乐播放器设计 学习中心：重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业： 0409级 电气工程及自动化 学生姓名： 肖 松 学 号： 0451480407 指导教师： 韩亚军 职 称： 讲 师 导师单位： 重庆信息工程专修学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2007 年 12 月 20 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 肖 松 1设计(论文)题目： MP3音乐播放器设计 2学生完成设计(论文)期限： 2007年12月20日至 2008年1月4日3设计(论文)

2、课题要求：熟练运用VB编程及电工基础等课程，设计MP3音乐播放器，并通过对MP3音乐播放器的设计，掌握一般设计的要求及设计过程。 4实验（上机、调研）部分要求内容：利用计算机编程及调试软件部分。利用课余时间到实验室制作PCB板，并实现安装焊接。安装完成后，下载MP3试听并做相关调试。 5文献查阅要求：利用课余时间上网搜索与本设计相关的资料,最好是近期发表的资料，如，电子期刊、电子杂志等；如有必要，到图书馆查阅相关资料。确保所查材料符合当今的发展趋势。论文中引用到他人的观点或者成果要注明出处，以免造成侵权。 6发 出 日 期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签

3、名： 摘 要MPEG1和MPEG2 (MPEG是动态图像专家组的缩写，它是一种压缩比较大的活动图像和声音的编码标准，现今已发展至MPEG7）都是数字音、视频压缩标准，这两个标准的第三部分对音频压缩方法和编码格式进行了定义，它们均将音频压缩分成了三层，随着层数的增加，其压缩倍数越大(码速率越低)，回放质量越差。MP3即是MPEG第三层音频编码标准的简称，使用此技术除了可以获得较大的音乐数据压缩比，还可得到较高的音乐回放质量。比如将CD格式的音乐数据压缩成MP3格式，音效相差无几（除非你有很好的音响和听力），文件大小至少可压缩12倍（每首PCM格式的CD歌曲大约4050MB数据量）。正是由于MP3

4、音乐的较小数据量和近似完美的播放效果，使得以MP3为后缀的音乐文件在网络上传输得以实现。关键词: MP3 Creative 音乐播放器 第1章 前言1.1 MP3的发展史从1995年，MP3格式的数字音乐开始在网上传播，原先MP3音乐的播放主要是通过类似“WinAmp”的播放软件进行的，这种不可脱离PC机的音乐播放方式为人们欣赏音乐带来极大的不便，因而1998年8月美国Diamond公司和韩国的Saehan公司首先推出了MP3随身听，正式启动了MP3播放器市场。经过两年的发展，MP3随身听逐渐被消费者所熟悉，目前在国外已经获得了较大的市场，但是由于当前国内网络带宽的限制，国内的市场销售量还只是

5、国际上产品销售量的零头，但应该坚信，随着网络的发展和人们接受网络程度的增加，在不远的将来，必将迎来国内MP3市场的繁荣。早先推出的MP3，比如RIO300和F10等机型，只是实现了播放MP3音乐的简单功能，随着技术的发展，人们对MP3播放器的要求也越来越高，因而MP3播放器的生产厂商从各个方面提升MP3播放器的功能，扩大MP3播放器的适用领域，生产出了各种各样的MP3播放器。下面我们从几个方面介绍一下两年来MP3产品的发展最早推出的MP3播放器大多采用内置(build-in)的闪存（Flash）作为存储介质，基于当时存储器生产工艺的限制，大多采用每片64Mbits或128Mbits的Flash

6、，因而大大限制了MP3本身的内置存储容量。随着半导体生产工艺的进步，现在已有每片256Mbits甚至512Mbits的Flash面市，使用这些高容量的Flash一方面减小了MP3播放器的体积，另一方面也可以带来更佳的性能价格比。1.2 MP3的存储器介质此外，为了方便消费者扩充存储器容量，当前生产的MP3播放器大多数都能够使用Flash卡外扩存储器，目前主要是SMC(SmartMediaCard)、MMC(MultiMediaCard)和CFC (CompactFlashCard)。但也有些厂商可能为了获取更大的商业利润，没有使用这些标准的Flash卡，而使用了自己定义标准和生产的外插Flas

7、h存储器，象Sony公司出品的MS系列MP3就使用了自己的存储条（MEMORY Stick）作为存储介质，而TOSHIBA和PANASONIC公司生产的MP3却使用了SD作为存储介质。但从各个商家使用的Flash卡总体情况以及设计的方便性和可扩充能力来看，SMC最有希望成为未来的主流。考虑到目前Flash的价格偏高，有些厂家还使用了光介质存储器或磁介质存储器作为MP3播放器的存储介质。但是由于普通光盘不具有可重复擦写的功能以及体积较大、怕震动，因而该产品在市场上没有获得令人振奋的消息。据悉，Diamond也正在设计一款使用 微光碟(micro-optical discs) 的MP3，一张微光碟

8、的容量大约为500MB左右，可以存入数小时的MP3，但是否比使用普通光盘好，最终还需要由市场来检验。由于磁介质存储器与普通光盘相比，既能满足较大的容量又可重复擦写，这就促使一些厂商生产使用硬盘作为存储介质的MP3播放器，比如：CREATIVE公司刚推出的一款MP3播放器就使用了笔记本电脑内置的2.5英寸硬盘；也有一些厂商考虑使用IBM公司新推出的仅有1美元硬币大小的170MB或340MB小硬盘作为MP3的存储介质；宏碁公司旗下的立碁还推出了一款用Zip磁盘的MP3播放器。使用磁存储器作为存储介质虽然有较大的容量、可重复擦写，但其致命弱点就是怕震动、不方便随身携带，而且通常磁盘驱动器的功耗较大，

9、使用一般的电池难以长时间工作。1.3 MP3的分类MP3播放系统分为便携式和非便携式两种。对于非便携式，要考虑和其他CD音乐格式的共容性。对于便携式系统，主要考虑的是其体积小巧、低功耗、高容量、低价格。一方面价格障碍正在消失，已接近为普通消费者所能承受的价位；另一方面MP3正在走出功能单一的桎梏，有了更多吸引消费者的卖点，这一市场的爆发性增长就在眼前。有关的市场调查与咨询公司，也都纷纷调高了对MP3市场的预估。根据iSuppli的测算，2006年全球MP3的销售量达到5800万台，而其预测2007年这一数据会增长一倍多，达到1.17亿台，此后的年增长率会逐步放缓，不超过20%。到2009年全球

10、MP3的销售量将达到1.62亿台。1.4 市场调查进入2006年后，中国MP3市场继续2005年9月以来的增长势头，销量一直稳步攀升。年初是因为新年效应，接下来，由于新进厂家的加入、厂家的大幅降价和产品功能的改进，使得MP3在价格与功能上更吸引消费者，先期使用者的队伍不断扩大，大众消费群体也开始购买，市场的销售量一直保持着增长。根据水清木华研究中心的统计，中国市场MP3月销售量由2006年1月的5.3万台，增长到2006年11月的15.3万台，增长了近两倍。而均价由年初的936元下降到2006年11月的622元，下降了33.5%。2006年在MP3的主芯片产业出现了两大变动，一是AMD将其 A

11、lchemy Au1200产品线出售给了RMI公司；二是Intel将Xscale出售给了Marvell。两大巨人几乎同时退出了MP3市场。1.5 MP3的制作过程这是一个复杂漫长艰难的一个过程，大致分成几个阶段：1、资料搜集和器件选型；2、绘制电路图、制作印刷电路板；3、焊接和硬件调试；4、软件编码；5、外壳包装。小小的MP3播放机汇聚了多项标准协议，包括MP3标准本身，用于存储的FAT文件系统，USB通信协议和微软大容量移动存储标准。互联网真是个好东东，假如没有互联网，这个东西恐怕也不可能造出来。所有的参考资料基本都来自于网络。资料是有了，能否实现关键依赖于能否找到合适的器件。好在一开始就选

12、定了ATMEL公司的MP3单芯片解决方案，这颗IC真是做MP3绝好的选择，它集成了MP3需要的大多数部件。外围芯片也很重要，首先要解决的就是音频DAC，选择的要点是要能与解码器输出的数字音频信号格式匹配，其次要考虑价格，是否能买到等因素。剩下的就是一些普通芯片了，逻辑门、存储器，电源、功放、各种插件等。这可是一个痛苦的过程，在网上找到资料，经研究符合使用条件，于是就到市场上找，买到后回来做实验。很多器件不是很容易就能买到的，买不到就得重新查资料，选新的型号。第2章 MP3工作原理2.1 MP3压缩音乐的的原理MP3压缩音乐的方式是通过一个运算法则，去掉声音中高频与低频的部分，大幅删减不必要的容

13、量浪费，同时保留了人类所能感受到的音频部分。因此，它的好处在于大幅降低了数字声音文件的容量，而不会破坏原来的音质。在MP3的运算法则下，音质越低的声音可以得到越高的压缩比例。以CD音质的Wave文件来说，如抽样分辨率为16bit，抽样频率为44.1kHz，声音模式为立体声，那么存储1秒钟CD音质的Wave文件，必须要用掉16bit441002=1411200bit，也就是相当于1411.2kbit的存储容量，存储介质的负担很大。而通过MP3格式压缩后，文件便可以压缩为原来的1/10到1/12，每一秒钟的MP3只需大约U2-128kbit就可以了。2.2 MP3组成结构一个完整MP3播放机要分几

14、个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。2.2.1 中央处理器这里的中央处理器我们通常称为MCU(单片微处理器)，简称单片机。它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware。控制MP3的各个部件的工作：从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作，显示系统运行状态等任务。2.2.2 解码器解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码(有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成)。它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号。2.2.3 存储设备存储设备是

15、MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASH MEMORY）,在我的作品中是用硬盘存作为存储器。它通过主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3也不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种。播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。2.2.4 主机通讯端口主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC

16、通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储协议规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。这里需要遵循几个规范：USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议。2.2.5 音频DAC和功放音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。这里要介绍一下数字音频信号。数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。我们知道声音的本质是波，人说能听到的声音的频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。数字音

17、频信号是对模拟信号的一种量化（如下图），典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔做采样，对振幅做量化。单位时间内的采样次数称为采样频率。这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。这是ADC（模拟-数字转换）过程,DAC（数字-模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率顺序转换成对应的电压。MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。2.2.6 显示界面和控制键MP3播放机的显示设备通常采用LCD或者LE

18、D发光二极管。显示系统的工作状态，控制键盘通常是按钮开关。键盘和现实设备合起来构成了MP3播放机的人机交互界面。2.3 MP3的软件结构MP3播放机的软件结构跟硬件是相对应的，即每一个硬件部分都有相应的软件代码，这是因为大多数的硬件部分都是数字可编程控制的。最简化的MP3软件处理任务只有两个操作：读取存储器上的数据，送到解码器，解码器的输出送到音频DAC；分析USB主机控制器发的指令，完成对存储器的操作，将操作结果送回USB主机。前一个处理过程完成了MP3数据的回放，后一个处理过程实现了USB移动存储器。这两个过程也是整个软件部分最复杂的。除此之外的部分都是为了实现主要功能而设计。第3章 MP

19、3的电源电路原理3.1 MP3的开机原理及条件3.1.1 开机原理过程给MP3加上电源以后，各电源电路得到电池电压BATT，通过电源电路得到主控工作所需的电压，主控内部开关电路在开机触发端（PLAY播放键）会形成一个高电平。当按下开机键足够长的时间，开机触发端的高电平会因为接地而变低，此信号传到主控内部，主控获悉此电平变低时，则会启动内部电压调节器工作，相应的输出几路稳定的电压。3.1.2 MP3的开机必备条件首先我们要知道MP3开机有三个必备条件；供电、时钟、复位 如供电已满足，接着会产生时钟信号，送往逻辑电路作为主时钟信号，主控得到时钟信号后，需要将以前的记忆清除，于是电源就会送来复位信号

20、让其初始化，完成后就会输出控制指令到储存器FLASH，让存储器处于允许状态，然后通过地址线查找开机程序具体在什么地方，找到后通过数据线传送到主控内部的DSP电路，运行成功后，主控输出维持信号到电源，得到维持信号后，IC内部会保持输出的各路电压，完成开机。3.2 供电电源电路介绍目前MP3的电源电路分为1.2V供电、1.5V供电、3.6V供电三种，其中又分为带电池保护的和不带保护的，以下就逐一介绍下： 电路工作有几个关键电压，不论有没有Flash或LCD，这几个关键电压是不会变化的。先是XC6206P332M或XC6206P302M输出的电压要求3.3V或3.0V，XC6206P152M输出的电

21、压是1.5V。VCC为3.3V ; VDD为2.0V左右，最低的可能为1.8V，VREF1为1.5V.。可移动磁盘正常工作所须的条件：BAT+的电压( 3.03.7V ) , USB的电压(5.0V )。晶体电压如一pin为2.1v , 另一pin为0v時 ,则晶体未起振 .(说明：对地0.8-0。9v 左右为正常) 。复位RESET电压。第4章 MP3的系统简介4.1 MP3各部分的功能说明便携式MP3播放器的系统框图如图4-1所示,各部分的功能说明如下：复位图4-1 便携式MP3播放器系统框图4.1.1 解码部分这是MP3播放器的核心部件,采用硬件解码技术。4.1.2 存储部分目前一般采用

22、32MB的FLASH存储器,32MB的存储器能够存储36分钟128kbps(达到CD音质)的音乐,如果是播放16kbps的压缩话音,可以存储4个小时的内容。4.1.3 接口部分一般通过PC的并口或USB口进行MP3文件的下载,并口的传输速率较低,USB口的传输速率可以高达12Mbps。4.1.3 电源管理便携式MP3的体积小,只用1到2只AAA电池供电,因此采用低电压以及进行有效的功率管理是非常必要的。4.2 DSP芯片介绍MP3播放器中，DSP芯片的Bootloader采用了HPI口方式。由于在硬件上HPI引脚与DSP的数据、地址总线引脚是相互独立的，同时图4-2 89C51与29F040B

23、的连接电路HPI口内部又有控制机制，所以外部主机通过HPI口访问DSP内部RAM时不会影响DSP的正常运行。HPI利用DSP芯片上1000H地址开始的一块具有共享存储器功能的2K字RAM，来实现主机与从机间的数据交换。DSP扩展了一片64K字高速静态RAM(CY7C1021V33-10)，作为DSP芯片的片外RAM，用以适应各种音频处理算法对存储器容量的要求。DSP芯片处理后的信号由D/A输出到耳机，我们就可听到MP3音乐。D/A变换由LM4545实现，它具有48K字转换速度，可直接和DSP芯片的输出相连。4.3 MPU主要功能而MPU主要完成三项功能，分别是LCD显示，控制DSP芯片的运行和

24、文件的串口下载。89C51与29F040B的连接电路如图2所示。MPU用来访问FLASH的地址线由P0口和P2.0P2.5组成。这14根地址线既提供14位页内地址又提供5位的页码地址，P0口同时与两片74LS373相连，分别以P3.5和ALE作为这两个芯片的片选信号；第一片74LS373A输出信号的低5位作为5位页码地址与29F040B的A14A18连接，第6位作为片选信号连接29F040B的CS，后两位则留作以后扩展用；第二片74LS373B的8位输出连接29F040B的A0A7；89C51的P2.0P2.5直接连接29F040B的A8A13，和74LS373B的8位输出共同构作14位的页内

25、地址。相应的寻址过程（假设访问地址1FFFFH）是：第一步，先将P3.5置1，打开74LS373A，再向 P0口写入所要寻址的页码地址，1FFFFH的页码为7H；第二步，再将P3.5置0，关闭74LS373A，向P0口和P2口写入14位页内地址，1FFFFH的页内地址为3FFFH。因为74LS373B由ALE片选，每次MPU访问外设时自动打开，所以这两步骤次序不能颠倒，否则访问的地址就出错。第5章 音频解码芯片内部结构5.1 软件编码完成了上面的所有工作，大约值进行了整个工程的30%，软件至少占了50%的工作量。由于要实现文件系统和USB的通讯协议，需要大量复杂的数据结构和运算，为了提高开发效

26、率，完全使用C语言来写程序。软件编码很抽象，不象硬件值做那样直观，也就不过的描述了。这部分工作最终的结果就是赋予MP3播放机以灵魂，使一堆密密麻麻的电路动了起来，能够接受人的控制，显示自己的状态，读取硬盘的数据，最终播放出音乐。能够从PC机下载音乐是MP3播放器的特点，这一功能由MPU与PC机的串口通信来实现。而且设计所需的下载软件要求能够下载书籍文本，要求能够中文字符的串口通信。因此实现中文传输也是本设计的程序部分的关键。图5-1是用VB实现MP3播放器的下载软件。图5-1 MP3文件下载上图的文件下载软件，由Mscomm控件来实现。Setting设置为9600，N，8，1，89C51的串口

27、寄存器SCON和PCON也做对应的设置。用Mscomm控件可以实现发送中文字符功能，具体方法如下：5.1.1 直接发送直接发送即把中文字符等同于英文字符。如：MSComm1.output=这是一行中文数据！，但这种方法发送的中文数据不能太长，发送缓冲区和接收缓冲区的大小需设定为中文字符的两倍以上，否则会出现接收或发送缓冲区溢出之类的错误。这种方法可用于一般要求不太高的场合。5.1.2 间接发送在发送端将汉字或字符转换为机器内码或区位码数据数组，然后将转换后的数据发送到串口，在接收端接收到数据后，按照相反的顺序将得到的数据转换为相应的汉字或字符，对于MPU这端要求能有较大容量的汉字表。在转换过程

28、中，我们采用位运算，在取得汉字的内码后将高字节和低字节分开，求整数高、低字节的函数如下：Public Function HiByte(a As Integer)Dim b b = a And &HFF00 b = b / 256 If b 0 Then b = b + 256HiByte = bEnd Function Public Function LowByte(a As Integer)Dim bb = a And &HFFLowByte = b end Function该MP3播放器基于DSP技术，采用慢速大容量外存加高速小容量外存的组合方式，音乐文件先从慢速外存下载至高速外存再载入D

29、SP的高速RAM，下载一部分处理一部分。采用与PC机的串口通信方式实现文件的下载速度较慢，也可利用USB接口进行高速的通信。另外系统中连接的电话线可充作电话的录音。实践证明，这种方法设计的MP3播放器成本较低，同时附加文本阅读的功能做到语音和文本的同步输出，能满足特殊的需要。SPCA751A是凌阳科技公司生产的单片信号处理芯片,是一个MPEG Layer2.5音频专用解码芯片,已经广泛应用于一些便携式的MP3播放器设计中。它可支持对8320Kbps基本数据流的解码,支持的取样频率范围为8KHz48KHz,非常适合于MPEG的音频解码,并带有数字语音录音的MPEG播放模块,具有很高的性能/价格比

30、。解码后的信号是可以直接输出到DAC的立体声、单声道或双声道的数字信号,SPCA751A与DAC的接口是可编程的。只要通过通用的串行I/O口和控制接口就能对MPEG比特流进行输入/输出和回放控制,系统控制器能很轻易的对MPEG音频信号进行解码。通过一个通用的可编程I2S接口,就能把一解码的音频PCM数据输出到外部的DAC中,因此,大多数常用的音频DAC都能和SPCA751A兼容。对于嵌入式的语音录音,SPCA751A具有高品质的10位8KHz采样频率的ADC。基于SACM_S480或者SACM_S3200的运算法则,语音可以分别被压缩到4.8Kbps和32Kbps,而保持原始的语音效果。SPC

31、A751A使用的电源为3.0V3.6V,它可以从其本身使用的16.934MHz晶振通过锁相环与系统时钟同步。SPCA751A信号处理器的工作频率可以达到34MHz而功耗很少,这就使得SPCA751A特别适合于便携式系统。SPCA751A芯片的内部功能如图5-2所示,其主控制器只要具有足够的I/O口、能访问闪存和驱动LCD即可。图5-2 SPCA751A内部功能图为了适合数字录音应用的需要,SPCA751A有一个适合于语音波段的-ADC,转换器的电路包括两个主要模块：ADC模块和内部参考偏置电压模块,后者为一个带有10位谐和音的15位数据格式。ADC模块包括麦克风放大器、一个可编程增益放大器(P

32、GA)、一个模拟过采样调节器和十进制数据滤波器。PGA增益可以从-12dB到12dB(-12,-6,0,6,12dB),当过采样信号频率为1.024MHz时,调节器是一个-反馈回路,它完成微分模拟信号输入到脉冲密度调整单比特数字信号输出的转换。图5-3 MPEG音频播放器系统框图CEI表示主控制器是否可以接收数据设置初始化参数：IDF+512字节数据设置比特流：ID6+512字节比特流设置命令：ID(低位字节)+命令(高位字节)。5.2 硬件设计 SPCA751A是单片的CMOS微处理器,是实时的MPEG音频解码和语音录音的专用芯片。主处理器通过串行控制口/I/O接口的命令控制SPCA751A对MPEG语音数据进行解码,主处理器也可以根据该接口检测解码过程。MPEG音频播放器系统框图如图3所示