基于CH375的U盘MP3播放器设计.docx

1、基于CH375的U盘MP3播放器设计基于CH375的U盘MP3播放器设计时间：2009-04-08 15:47:07 来源：电子产品世界 作者：随着电子技术的发展，MP3播放器向大容量、高音质、小巧便携不断发展。虽然播放器与存储器的一体化设计使MP3播放器便于携带，但与此同时他也带来了很多新的问题，比如存储容量固定，如果想装下更多的歌曲只能去购买新的产品，造成了巨大的浪费;另一方面，一体化又限制了MP3播放器在其他领域的应用，比如车载MP3等不方便移动的播放器。于是将存储器与播放器分离成为MP3的另一发展方向，同时HOSTUSB的开发也为实时数据采集的移动存储提供了价格低廉的解决方案。本文将从

2、软硬件方面详细介绍如何用AVR控制HOSTUSB读取U盘中的文件并将其解码播放。l 方案设计1.1 系统功能简介本设计主要完成U盘的识别和数据的读取，并将U盘中读取的MP3文件解码播放出流畅的音乐，完成.MP3播放器的存储与解码的分离。系统功能主要包括读取U盘数据和MP3解码播放2部分。实现设计功能需要USB接口芯片、MP3解码芯片、主控制器和其他外围电路。1.2主要芯片的选择通过比较本文选择南京沁恒电子生产的一款USB通用接口芯片CH375。CH375芯片支持HOST主机方式和DEVICE设备方式，内部集成了PLL倍频器、主从USB接口、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控

3、制传输的协议处理器、通用的固件程序等。音频解码芯片选择芬兰VLSI公司生产的VSl003。VSl003具有MP3/wMA/MIDI解码和ADPCM编码功能，他内部包含一个高性能、低功耗的DSP处理核(VSD一SP)，一个工作内存，一片可供用户程序使用的5.5 kBRAM，一个串行SPI总线接口，一个高质量的采样频率可调的过采样DAC以及一个16位的采样ADC。采用高性能低功耗的8位AVR闪存微处理器作为系统主控制器，ATmega64内部具有丰富的资源，64 kB的系统内可编程FLASH，2 kB E2PROM，4 kB SRAM，53个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，RSIC设计的单指令

4、周期使单片机具有高速处理能力，能保证MP3文件的顺畅播放。2硬件接口2.1 USB接口芯片CH375与MCU的连接CH375可以方便地挂接到MCU系统总线上，MCU通过CH375按照相应的USB协议可以很方便地与其他USB设备进行通信。本设计中CH375工作在USBHOST模式下，将CH375的TXD端接地，RXD端悬空采取并行传输的方式，将8位并行数据线D0D7与AT-mega64L的PD口相连实现数据与命令的并行传输，RD，WR，CS，INT和A0五根控制线分别连接至ATmega64L的PC3.PC7引脚，接口的系统框图如图1所示。RD，WR和CS分别为读选通、写选通和片选，低电平有效;I

5、NT中断请求为低电平有效;地址输入线AO为高电平时选择命令端口，可以向CH375写人命令;当AO引脚为低电平时选择数据端口，可以向CH375读写数据。当CH375工作在主机方式时MCU通过RD，wR，片选CS、中断INT和地址线AO的综合控制，完成与CFl375的通讯，通过USB接口实现从U盘读写数据的功能。INT引脚和MCU的外部中断输入引脚相连，当有U盘插入时1NT变为低电平触发外部中断，当CS，RD和AO都为低电平时，CH375中的数据可以通过D7DO输出;当CS，wR和AO都为低电平时，D7DO上的数据被写入CH375芯片中;当CS和wR都为低电平AO为高电平时，D7一DO中的数据可作

6、为命令码写入CH375芯片中。2.2 MP3解码芯片与MCU的连接VSl003通过同步串行总线SPI与ATmega64L进行命令和数据的传输。由于ATmega64L内部集成有SPI总线模块，只要正确写SPI相关寄存器就能轻松控制SPL这种硬件SPI总线减小了软件设计的困难。VSl003的SPI接口具有2种工作模式：新模式和兼容模式。设置寄存器SM_SDI。NEW为1使VSl003处于新模式，此时设置SMSDISFIARED为O，控制信号和数据信号的传送将分别采用xCS和xDCS作为同步信号。系统启动后，由MCU控制将存储于U盘中歌曲的码流信息送入到VSl003芯片中，通过VSl003芯片解码以

7、及其内含的高质量的立体声DAC和耳机驱动电路，实现MP3歌曲的播放功能，在按键的控制下，实现对歌曲播放模式以及歌曲选择等功能。VSl003的所有数据和控制命令均通过SPI总线接口实现，因此与MCU接口实现比较简单，包括3条SPI数据线和4条与PB4PB7引脚相连的控制线，接口框图如图2所示。3软件编程3.1 U盘文件管理系统U盘采用的文件系统一般都为FAT文件系统他将存储空间分为5部分：主引导扇区(MBR)、DOS引导区(DBR)、文件分配表(FAT)、文件目录表(FDT)和数据。Ctt375提供了U盘文件级子程序库，单片机可以直接调用子程序读写U盘中的文件数据。3.2读取U盘数据基于CH37

8、5的U盘MP3播放器设计时间：2009-04-08 15:47:07 来源：电子产品世界 作者：应用中的单片机读写U盘的程序可分成2大部分：应用程序和固件程序。应用程序完成系统的数据处理任务、外围控制等功能;固件程序处理底层的USB通讯协议、文件系统，数据在USB总线上的可靠传输和在U盘上的存取操作。CH375内置了处理海量存储设备的专用通信协议的固件，所以嵌入式系统的单片机可以通过CH375将U盘作为可移动的大容量存储器。数据读写只需要几条指令，而不需要详细了解USB通信协议。U盘文件的读写方式采取扇采用MCS-51单片机实现CPFSK调制时间：2009-04-09 15:09:36 来源：

9、电子技术应用 作者：南京河海大学计算机及信息工程学院 周金陵 蒋元广 马贞立在遥测遥控系统中，数据的调制和解调是经常遇到的问题。一些自报测站不接收远方的遥控命令，只是定时采集参数或在参数变化时采集，并自动将采集的参数发往监控中心。这些遥测站不一定包含解调功能，但信号调制是遥测站的必要功能。在水情自动测报系统中，数据传输大量采用超短波无线电台。用模拟电台传输数字信号时，调制方法多采用FSK。水情自动测报规范推荐的标准为CCITT V.21，即:数据串行速率为300波特率，数据电平“1”调制频率为980Hz，数据电平“0”调制频率为1180Hz。调制解调的通常方法是采用专用的调制解调接口芯片，如M

10、C145442、XR2211、XR2206等。采用专用调制解调接口芯片不仅增加了设备成本，而且芯片质量直接影响测控设备的性能。就一般而言，设备中的元器件越多，设备的可靠性越低。因此，在满足系统功能的前提下，应尽可能减少设备中元器件的品种和数量。遥测遥控设备的信号调制解调是非常重要的环节，如果能够减少或省去调制解调专用接口芯片，将对提高设备的稳定性和可靠性大有好处。目前，几乎所有的遥测设备都使用单片机，其中MCS-51系列单片机又占了很大比例。本文将以MCS-51单片机为例，说明利用单片机的软件调制产生标准的FSK信号。1 正弦波的调制单片机的输出接口一般只能输出逻辑“0、1”，即0、Vcc两种

11、电位。要想得到FSK信号，首先要得到正弦波信号，再根据串行数据的变化产生FSK信号。从单片机获得正弦波，最简单的方法就是利用方波滤波得到正弦波。由于单片机的脉冲输出只有正电平，没有负电平，方波负半周，单片机无法产生负脉冲。因此产生的信号波形应该叠加一个直流正电平，使信号波形完全处在正电平一侧。如图1所示。然而，方波是由基波和一系列高次谐波组成。如果图1可以用函数f(x)表示，将函数f(x)进行傅里叶级数展开可以得到:从式(1)可以看出，接近基波的谐波成分比重较大。采用低通滤波器滤波时，接近基波的谐波成分难以滤去，为了减小波形的失真往往需要增大滤波的强度，这样在减小波形失真的同时，基波的损失也随

12、之增大。如果采用正弦波脉宽调制(PWM)可以得到比较满意的结果。PWM调制可以利用“0、1”变化的脉冲信号调制出模拟信号。在计算机中，对连续曲线进行数字化处理时，通常将连续曲线用阶梯图形表示，当阶梯的步长足够小的时候，所表示的曲线被认为是精确的。图2的上图表示了不同时段内，电压的不同阶梯。但是单片机输出接口不能产生变化的电平，即不能产生如图2所示的电压阶梯，所能做的只能是“0、1”电平的时间变化，即PWM调制。所谓正弦波PWM调制就是调制出的波形尽可能接近正弦波，也就是傅里叶级数中的基波比重尽可能大，高次谐波的比重尽可能小。对于图2来说，在调制过程中使每个时段内下图的阴影面积与上图对应部分的阴

13、影面积相等。在用PWM调制正弦波时，要求时段的分割是偶数，因为正弦波图形是一种对称图形。采用MCS-51单片机实现CPFSK调制时间：2009-04-09 15:09:36 来源：电子技术应用 作者：南京河海大学计算机及信息工程学院 周金陵 蒋元广 马贞立对于一个周期函数可以进行傅里叶级数的展开，级数的一般表达式为:当按上述方法进行PWM调制时，图2下图函数傅里叶级数的an均为0，当n为偶数时，bn也为0。所以正弦波PWM调制的傅里叶级数为:根据阶梯图形表示连续曲线时，阶梯越细图形越精确的原理，认为用PWM调制正弦波时，时段分割越多，调制出的正弦波越精确。如果不考虑级数中的直流成分，可以得到不

14、同时段的谐波系数，如表1所示。从表1可以看出，谐波系数随着谐波次数的增加逐渐减小，但在n=K-1处系数会突然增大，之后又逐渐减小。而这种突然增大的比值随着时段分割数的增加总体呈下降趋势。另一方面，突然增大的比值，随着时段分割数的增加而向高次谐波方向移动。对这种远离基波的高次谐波，只要采用低通滤波器就能很容易将其去除，我们所关心的是如何尽可能减小基波附近谐波的系数。从表1可以看出，随着时段分割数的增加，离基波较近的谐波系数也呈下降趋势。所以通过对时段的细分，信号的高次谐波，特别是接近基波的谐波成分会进一步减少。2 信号输出由于采用了正弦波PWM调制，单片机输出信号只要经过简单的低通滤波器就可以得

15、到平滑的正弦波信号。图3中的74HC04是CMOS反相器，这里它起缓冲驱动作用。因为单片机的P1P3口是准双向口。作为输出口时低电平有一定的吸收电流能力，但高电平输出电流的能力很小，这就使输出信号的开关特性有较大差异。而CMOS反相器的输出采用P沟道和N沟道MOS管构成的对称互补结构，使输出信号的“0、1”有相同的开关特性，能保证低电平的吸收电流和高电平的输出电流相同。图3中R1、R2为1k的电阻，C1、C2、C3为0.1F的独石电容。当时段分割为20，正弦波信号频率为1180Hz时，图3中A、B、C三个端口的输出波形如图4所示。3 CPFSK调制软件调制是将正弦波分为若干个时段，并计算出每个

16、时段内高电平和低电平所占用的时间，这些时间在单片机中用软件延时实现。为了叙述方便，首先定义几个符号:软件调制所在的相位;T相位角为时对应时段的机器周期总和;T1相位角为时对应时段的高电平机器周期;T0相位角为时对应时段的低电平机器周期;T1180相位角为时频率为1180Hz正弦波对应时段的机器周期总和;T980相位角为时频率为980Hz正弦波对应时段的机器周期总和。根据图2中面积相等，即S1=S2的要求可以得到:如果单片机的晶振频率为11.0592MHz，完成频率为980Hz的正弦波调制需要=940个机器周期，完成频率为1180Hz的正弦波调制需要=781个机器周期。20等分能够将940整除，

17、得到每个时段的机器周期数T980=47。但=39余1，如果将余数1丢掉，就会造成频率为1180Hz的正弦波频率误差变大。实际编程时可以将余数1插补在20个时段中的某个时段中，也就是19个时段为T1180=39个机器周期，1个时段为T1180=40个机器周期。T0和T1的计算如表2所示。采用MCS-51单片机实现CPFSK调制时间：2009-04-09 15:09:36 来源：电子技术应用 作者：南京河海大学计算机及信息工程学院 周金陵 蒋元广 马贞立如果波形调制是单一频率的，调制程序可以非常简单，只要编制顺序程序就可以了。如果波形调制的频率是变化的，就需要根据串行数据“0”或“1”的变化来改变

18、每个时段的延时时间。在MCS-51单片机中，串行数据流是由软件设置，硬件自动产生，由TXD自动发出的。TXD的高低电平变化可以通过单片机的程序测得。根据这一特性，可以通过不断检测TXD的高低电平变化来决定每个时段的延时时间。程序流程如图5所示。从流程图5可以看出，在每个相位中，单片机将Px.x置“1”或置“0”后都要判断TXD的电平，以确定相应延时的机器周期数。在某个相位TXD电平开始改变时，程序就从这个相位改变脉冲的延时时间，而程序中相位执行的次序并不改变。所以在TXD的电平改变时，两种频率的正弦波信号在同一个相位上交接。因此，FSK调制相位是连续的，见图6。编程时必须注意，程序不论走哪条分

19、支，所用的机器周期数都必须跟踪计算，最终所用的机器周期数必须符合表2的要求。另外，在进行FSK调制前应该增加一定长度的980Hz 的载波信号(PWM980)作为前导码信号。在数据发送完之后还应该增加一定长度的PWM980作为停止位，因为单片机的TI标志出现在数据帧停止位的前沿。4 波形的优化图4中B端的波形也就是带有锯齿的正弦波，是PWM调制经一阶滤波后产生的波形。该波形已具有了正弦波的大致形状，但锯齿也很明显，它和图2的阶梯波有些相似。通过前面的分析和表1的比较知道，增加PWM调制的时段分割数可以提高正弦波的波形精确度。对于时段分割应该选择一个适当的数字。分割太粗，波形的失真就会严重，给滤波

20、带来困难;分割过细会增加程序所占的空间。另一方面，时段的分割也不可能无限加大，因为采用软件延时时，延时时间的最高分辨率为1个机器周期。从表2也可以看到，在第4和第6时段出现了最小脉宽为1个机器周期的情况，而在第5时段甚至出现了只有高电平没有低电平的现象。如果继续细分时段，将会出现更多的只有一种电平的脉宽而另一种电平脉宽长度为0的现象。按上述等分时段的方法，如果不提高单片机的晶振频率，20个时段的分割已达到极限。所以不能单纯地采用细分时段的方法来提高波形的精度。从图4中带有锯齿的正弦波可以看出，锯齿的大小在整个波形上不是处处相等的，波峰左侧的锯齿要比右侧的锯齿小得多。从图2的阶梯波形可以看出，当

21、阶梯波的精度最高时，应该是电压的步长或时间的步长之一为最小，而不是电压步长与时间步长之和为最小，当然更不能是电压或时间的任何步长为0。同样，用脉宽波表示正弦波时，精度最高的表示方法应该是“0、1”之一的脉宽为最小，而不一定是“0、1”脉宽之和为最小，也不能是“0、1”之一的脉宽为0。采用MCS-51单片机实现CPFSK调制时间：2009-04-09 15:09:36 来源：电子技术应用 作者：南京河海大学计算机及信息工程学院 周金陵 蒋元广 马贞立从图4中可以看出，波峰的左侧恰好是“0、1”之一的脉宽较小的地方，这里的锯齿较小。波峰的右侧是“0、1”脉宽比较平均的地方，这里的锯齿较大。根据上述

22、分析知道，要想提高波形的精度就要对时段细分，细分的原则就是“0、1”之一的脉宽为最小。这样每个时段就不会是均等的。在单片机中，脉冲的延时的最小时间是一个机器周期。如果PWM调制的是单一频率的正弦波，“0、1”之一的最小脉宽就是一个机器周期。但是在进行FSK调制时，由于在执行每个脉宽延时时要对TXD的电平进行判断，一个机器周期显然不够用。如果某个时段的高电平脉宽T1180(H)=3，T980(H)=4，根据图5的程序流程，具体的程序是:从上面程序可以看出，如果某个时段T1180(X)T980(X)，T1180(X)的最小值为3个机器周期，T980(X)的值则是根据T1180(X)所在相位做相应的

23、增加。当然，当T1180(X)=T980(X)时，T1180(X)和T980(X)的最小值可以是1个机器周期。单片机的晶振频率为11.0592MHz，采用这种方式调制，时段分割为52个，调制的结果如图7所示。比较图7与图4可以发现，波峰左侧变化不大，波峰右侧的锯齿却大大减小了，整个波形的精度有了很大提高。采用单片机的输出接口直接调制产生CPFSK信号，充分利用了单片机的资源，节省了元器件，同时也提高了信号频率的稳定性和灵活性。因为FSK的频率只与单片机的晶振和软件有关，晶振的频率是非常稳定的。采用软件编程调制可以根据信号的需要进行灵活多样的变化，而不用担心专用元器件的供货问题和元器件的质量问题。该调制方式已在全国许多地区的水情自动测报系统中应用，运行结果是非常理想的。