2018年02月19日 | 基于C51单片机的MP3播放器的硬件系统设计原理

便携式MP3播放器作为一种集音频播放、数据存储为一身的数码产品，其功能结构为电子设计人员所津津乐道。MP3是MPEG一1音频III(1ayerIII)的简称。MPEG一1音频(ISO／IECll 172—3)是目前普遍应用的音频压缩标准，其中层III的算法最为复杂，但压缩比最大，效果也最好，在低码率的条件下基本能达到CD的音质效果。MP3标准用尽可能低的码流实现CD音质的声音而不会产生数据损失。如果对于一段声音不进行压缩的话，那么每存储一秒钟的立体声CD音质音乐必须用1．4Mbit，这是个十分大的开销。通过运用MPEG音频标准的压缩技术，我们可以把存储空间压缩到原来的1／12而不会降低声音的音质。即使使用1／24的压缩因子，仍然比单纯降低采样率的音质要好。低数据量和高播放品质的优点使其成为音乐存储、数字广播、网上音乐传输的主要方式。人们不仅可以使用计算机软件，还可以通过数字随身听来欣赏音乐。本设计以C51内核单片机为核心，设计了MP3播放器。

1 MP3硬件设计

在该硬件系统的设计中，采用Atme 1公司生产的AT89C51SNDlC作为主控MCU。AT89C5lSNDlC是ATMEL公司专门针对MP3的需求而设计的一款多媒体8位微处理器，使用通用的C51内核，片上集成了多种外设，为MP3产品提供了一套方便的解决方案。该芯片对电路的高度集成大大降低了系统的耗电和发热，提高了系统的稳定性和速度，抗干扰能力也显著增强。AT89C51SNDlC具有如下外设的集成，大大简化了电路的设计：a．MP3硬件解码器；b．可编程音频输出接口DAC；c．8位MCU C51：d．USBl．1控制器；e．内建锁相环PLL；f．多媒体卡接口适配器；g．SPI接口适配器；h．IDE／ATAPI接口；i．两路10位ADC，8kHz；j．44个通用I／0；k．两个16位定时器／计数器；1．硬件看门狗定时器；m．标准全工UART；n．两线主被动模式控制器；o．SPI主被动模式控制器；p．电源管理模块。

整个播放器的结构框图如图l所示。PC机通过USB接口实现对U盘的MP3歌曲、文档等数据信息的存储。系统启动后，由MCU控制将储存于Flasht辛歌曲的码流信息送入MP3解码芯片中解码，并产生解码输出。在系统的DAC模块通过CS4340芯片把解码输出转换为模拟音频声音后， 经功放电路一级音频放大并驱动耳机，实现MP3歌曲的播放。系统硬件包括主控MCU、解码器、Flash存储系统、供电系统、按键和D／A转换器等几部分。

1．1 解码部分

这是MP3播放器的核心部件， 本设计采用硬件解码技术。在本系统中笔者采用AT89C51SNDlC芯片。该芯片是一块自带MPEG I／II—Layer硬件解码器和Human Interface的51内核单片机。它可支持对8～320kbps基本数据流的解码，支持的取样频率范围为16～48kHz，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， 具有很高的性价比。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，SP—CA751A与DAC的接口是可编程的。只要通过通用的串行I／0口和控制接口就能对MPEG比特流进行I／0和回放控制，系统控制器能很轻易地对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都能和本芯片兼容，本设计采用的是CS4340芯片。

1．2 存储部分

现采用1GB的FLASH存储器，该存储器能够存储19小时128kbps(达到CD音质)的音乐，该系统采用了SAMSUNG公司的1GB FLASH存储芯片K9F5608UOB。

1．3 接口部分

一般通过PC的USB接口进行MP3文件的下载，传输速率为12Mbps。由于Atmel公司生产的AT89C5lSNDlC芯片仅支持USBl．1技术规范，因此接口速度稍慢。但对于MP3播放来说，可以满足需要。

1．4 电源管理

便携式MP3的体积小，可以使用两节7号电池(3VDC)供电，同时也可以通过USB接口取电，因此采用低电压以及进行有效的功率管理是非常必要的。

2 MP3软件设计

硬件是设计的基础，软件是设计的灵魂。MP3程序由两大部分组成：MP3播放功能模块和USB通讯功能模块。此外，为了调试方便，还有调试功能模块。此模块在系统软件调试中使用，当MP3系统正常工作时去除。

MP3播放功能模块的工作分为两个部分：

第一部分是循环播放MP3歌曲，该功能需要首先做一些初始化工作，MP3解码器一旦开始工作，就会一直向CPU请求数据，直至歌曲结束，只有通过键盘操作才会使该功能提前结束。因为MP3文件的数据量较大，在flash存储器内是以页为单位进行存储的，所以MP3的播放程序初始化就是要把该文件的首地址和页数先读出到CPU中，然后CPU可以根据如上数据进行取数据工作。

第二部分则一直在等待中断发生，该程序是与键盘结合起来的，主要用于使用者对播放过程的控制。键盘操作对MP3播放过程的控制还包括后退、跃进、跳到下一首、音量控制等。因为整个播放过程的键盘控制功能比较单一，没有键的复合操作，所以程序都很容易实现。当MP3播放器插入到USB接口时，系统执行USB通讯功能模块，该模块主要用于对flash存储器内的文件数据进行管理。固件程序是该模块开发的主要工作，由于AT89C5lSNDlC没有外部中断引脚，USB中断没有中断向量地址入口，因此该固件程序的框架采用查询工作方式。

3 FAT文件格式

因为该系统还要具有U盘的功能，所以存储器中的文件还要能够让计算机读写和识别，也就是所有的文件还要严格满足计算机文件系统格式的要求。在所有计算机文件系统中，FAT是比较常用的一种。

一个FAT文件系统卷由4个部分组成：保留区、FAT区、根目录区、文件和目录数据区。其中保留区中的第一个分区必须是BPB，也称作“引导扇区”，因为它含有对文件系统进行识别的关键信息，计算机将以此信息识别存储器文件格式，因此十分重要。

FAT区存放的是文件分配表。操作系统的存储空间是按簇来分配的，簇是操作系统分配的最小存储单元，每个簇在FAT表中占据一个16位的位置，称为一个表项。同一个文件的数据并不一定存放在存储区的一个连续的区域内，往往会分成若干段，像一条链子一样的存放，这种存储方式称为文件的链式存储。为了实现文件的链式存储，必须准确地记录哪些簇已经被占用，还必须为每一个已经占用的簇指明后继内容的下一个簇的簇号，对于一个文件的最后一个簇，则要指明本簇没有后继簇，这些就是由FAT表来存储的。

根目录区存放的是目录项，每个目录项为32个字节，记录一个文件或目录的信息。目录项所占的空间与目录项的个数有关。

文件和目录数据区是真正存放文件数据的位置，所有数据都是按照以上信息分配存储的。

4 结束语

MP3为取得较好的压缩效果而采用相对复杂的技术，宽带音频信号的取样率也较高(一般为44．1kHz以上)，所以MP3编解码的运算量和数据量都相当庞大。MPEGLayer III解码算法在AT89C51SNDlC上验证通过并获得较好的效果，在通过优化后可流畅播放。由于51内核单片机的性能限制，在缓冲时可能会有停顿。以上内容叙述了由AT89C51SNDlC构成的最小系统的结构，具备了便携式MP3播放器的基本功能。其实AT89C51SNDlC还支持LCD显示和IDE接口，还可以通过对以上接口模块进行扩展，构成更大更复杂的系统。