2020年02月16日 | 基于AVR单片机的U盘MP3设计与实现

　　随着电子技术的发展，MP3播放器向着大容量，小型化发展。但播放器与存储器一体化的设计使得MP3难以扩充容量以容纳更多的歌曲。将播放器与存储器分离是MP3目前发展的另一方向。本文介绍了一种利用AVR控制以HOST USB方式读取U盘的音乐文件并将其解码的播放的解决方案。本方案同时具备读取音乐标签，U盘电子书，贪吃蛇游戏等功能，具有商业价值。

　　1　系统功能简介
　　本设计主要完成对存储在U盘中的音乐及文本等信息的读取操作，能够完成U盘内MP3音乐数据的播放及标签信息的显示，实现播放器与存储器分离，并在此基础上完成电子书，贪吃蛇游戏等功能。

　　2　系统芯片选择
　　本设计MCU选择ATMEL公司的ATmega64作为主控芯片。ATmega64是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有先进的RISC结构。64K字节系统内可编程Flash，2K字节EEPROM，4K字节片内SRAM，64个引脚，53个可编程I/O口，具有可工作于主机/从机模式的SPI串行接口音频解码芯片选择芬兰VLSI公司生产的VS1003。VS1003是一款具有MP3/WMA/MIDI音频解码及ADPCM编码功能的芯片，它包含一个高性能，低功耗的DSP内核VS_DSP，工作数据存储器，为用户应用提供5KB的指令RAM和0.5KB的数据RAM。一个串行的控制和数据接口，4个通用I/O口，一个UART，一个高质量可变采样率的ADC和立体声DAC，一个耳机放大器和地线缓冲器。

　　USB通信芯片选择CH375，CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-host主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及终端输出，可以方便地挂接到单片机等控制其的系统总线上。内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。支持低功耗模式。

　　3　系统硬件电路设计
　　3.1　MP3解码芯片与ATmega64的硬件连接
　　VS1003使用同步串行总线SPI通信，ATmega64内部集成有SPI总线控制器，故将SCLK，MOSO，MOSI直接与MCU的SPI控制引脚相连接即可。另外将XCS，XRES，DREQ，XDCS分别于PB4~PB7相连接，即可完成对解码芯片的控制。

　　3.2　CH375与ATmega64的硬件连接
　　本设计中，CH375工作在HOST模式下，八位双向数据总线D0~D7分别于MCU的PD0~PD7相连接，实现数据与命令的并行传输。A0，RD，WR，INT，CS分别于PC3~PC7相连接。这种连接可以很方便的将CH375挂接到各种MCU系统总线上。

　　3.3　彩屏与ATmega64的硬件连接
　　彩屏与MCU实现并口数据命令传输，将其16位数据命令口与MCU的PA0~PA7以及PE0~PE7相连接，另外将彩屏的片选CS，数据命令选通RS，写选通WR，读选通RD，及复位RST分别于MCU的PG0~PG4相连接。

　　系统启动后，在ATmega64的控制下，首先将数据从U盘中取出，如果是音频数据，则直接送入VS1003进行解码，VS1003将接收到的数据解码后转换为模拟音频后，通过功率放大器输出。若收到的是文本数据，则进行字符格式转换，并在液晶屏上显示出来。

　　4　系统软件设计
　　系统软件的设计主要分为VS1003的驱动程序，CH375的驱动程序，彩屏的驱动程序以及整体的整合。(分别为：vs1003.cch375.c TFT_ili9320.c mp3_play.c )

　　4.1　FAT文件系统管理
　　一个FAT文件系统包括四个不同的部分。保留扇区，FAT区，根目录区，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区包含有两份文件分配表，这是出于系统冗余考虑，尽管它很少使用，即使是磁盘修复工具也很少使用它。它是分区信息的映射表，指示簇是如何存储的。根目录区是在根目录中存储文件和目录信息的目录表。在FAT32下它可以存在分区中的任何位置，但是在早期的版本中它永远紧随FAT区域之后。数据区是实际的文件和目录数据存储的区域，它占据了分区的绝大部分。

　　4.2　U盘的读取
　　由于CH375内置控制传输的协议处理器，因此读取U盘可以通过控制CH375的寄存器来进行U盘的读取。CH375以C语言子程序库提供了USB存储设备的文件级接口，这些应用层接口API包含了常用的文件级操作，可以移植并嵌入到常用的单片机程序中。CH375的U盘文件级子程序库具有以下特性：支持常用文件系统，支持多级子目录，可以支持小写字母或者长文件名，支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。CH375的文件级子程序库需要大约600Byte的随机存储器RAM作为缓冲区。文件级子程序库的所有API在调用后都有操作状态返回，但不一定有应答数据。主要子程序如下：
　　(1)初始化CH375芯片： CH375Init; ( 2 )打开文件：CH375Fileopen;(3)枚举或者搜索文件：CH375FileEnumer;(4)关闭文件： CH375FileClose; (5)以扇区为单位从文件读数据：CH375FileReadX; ( 6 )以扇区为单位向文件写数据：CH375FilewriteX。

　　4.3　VS1003的读写控制
　　VS1003的寄存器用下列顺序读出，如图二。首先将XCS片选拉低以选择芯片，再通过SI线发送8位的读操作码(0x03)和8位的地址。在地址被VS1003芯片读入后，SI上的数据将被忽略。相应地址的16位数据将从SO线移出。当数据全被移出后XCS需拉高。

　　VS1003的寄存器须按以下的顺序写入，如图三。首先将XCS片选拉低，再通过SI线发送8位的读操作码(0x02)和8位的地址。随即发送16位的数据字。当最后一位被移入且最后的时钟已发送，必须将XCS拉高以完成写操作。

　　4.4　MP3的播放
　　当执行音乐播放程序时，ATmega64芯片首先从U盘中预取标签信息，经过分析，由Unicode到GBK编码的转换，再取字模，最终在LCD上显示;之后开始取音乐文件的数据，送到VS1003芯片，VS1003开始解码并在音频接口发出音频信号。当按下暂停键时，暂停取数据，上一曲、下一曲时跳出取数据循环。

　　4.5　其他软件设计
　　1.音乐标签的软件设计。本系统可以读取的音乐的标签有ID3V1、ID3V2，当要区分这两个标签时可以用程序读取音乐文件的开头和结尾，利用其标志符“ID3”、“TAG”来区分其具有哪一个标签。但是标签中的文字编码也包括UNICODE、GBK，具体的区分也要查找相关的标志符。

　　2.文档阅读的软件设计。GBK的编码中会带有ASC码，而GBK码占两个字节，ASC码占一个字节，如果在取文件过程中恰好取到GBK码的每二个字节，那么以后的内容在LCD上的显示将全部为乱码，特别是在向上翻页的时候(文档内容在LCD上的显示还要判断回车以及其它字符，这样就会造成每一页具体读了多少字节，显示了多少字节都不一样)。最终解决办法是用一个数组记录每一次翻页共显示了多少字节(不是读取了多少字节)。
　　3.在TFT上显示字符和汉字。对于TFT液晶，没有具体的字模存储在控制芯片中，只能是整体系统的存储。而且汉字的Unicode和GBK编码并不相同。笔者把具体的字库存储在了要读取的优盘根目录下(对应的字模文件是ST16.BIN KT16.BIN)。对于Unicode到GBK的转换，笔者把转换文件也存储在了优盘的根目录下面(对应文件是UNITOGBK.SYS)。

　　5　结束语
　　经测试，本设计能够读取并播放U盘中MP3文件，音质清晰悦耳，无延时和跳帧现象。能够读取U盘中txt文档以实现电子书功能。内置的贪吃蛇游戏也可以顺利实现。由于本设计采用播放器与存储器分离的方式，因此存储空间不受限制，自由度较大，这比一般MP3播放器更具有优势。