基于STC12C5A60S2的U盘音频播放器设计

    U盘即闪存盘，是一种用闪存进行数据存储的介质，通常使用USB插头。U盘体积极小、重量轻、可热插拔也可以重复写入。自其面世后，迅速普及并取代传统的软盘，成为主要的便携存储模式。随着U盘体积的不断减小、存储容量却不断加大，使得U盘的使用范围也不断拓展。然而U盘所储存的数据，现今仍大多通过计算机提取并进行处理，这也局限了U盘的发展范围。
    笔者认为，针对某一特定功能，剥离相应数据对计算机的依赖性，一方面可充分利用U盘数据，另一方面也发挥出USB协议的通用性，使U盘实现所用即所得的便携特性。基于此，设计了U盘MP3播放器电路，主要完成U盘存储的音频文件的数据提取及功能运行任务。该播放器等同于个人计算机的音频处理模块，不仅可识别、提取U盘所存储的MP3、WMA或MIDI格式的文件，并可自行完成音频解码等数据处理工作，最后送入扬声器或耳机进行播放。

1 播放器组成原理框图
    播放器组成原理如图1所示，共由3个主要模块组成：单片机处理模块，由STC12C4A60S52单片机及其外围电路组成；U盘读写模块，由CH375及其外围电路组成；为音频解码模块，由VS1003芯片及其外围电路组成。

    播放器的工作过程是：MCU通过CH375读取来自USB存储设备的数据，并依据功能键的控制指令，将USB存储设备的相关数据送入音频解码模块，在VS1003解码后，送入扬声器或耳机。设置6个人机交互功能按键，分别实现播放、暂停、上一曲、下一曲、增大音量、减小音量等基本操作功能。

2 硬件电路设计
    如图1所示，主要完成U盘读写、单片机处理及音频解码3个模块的电路设计。
2．1 U盘读写模块
    U盘读写模块由CH375及其外围电路组成，其构成如图2所示。

    CH375是USB总线通用接口芯片，支持USB主机及从设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机／DSP／MCU／MPU等控制器的系统总线上。在USB主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、输出和中断输出与单片机／DSP／MCU／MPU等相连接。

    CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备。
    设计中，CH375采用主机方式，图中J1为USB插座，可连接U盘等存储设备，D1为指示LED，当检测到USB设备连接时灯亮。当TXD引脚连接到地时，CH375工作在并口方式，此时图中JP1接口D0～D7为双向数据总线，连接单片机。
    单片机连接图中JP2接口，通过程序控制CH375，其功能及特性如表1所示。

    单片机通过写命令来和数据来控制CH375，并通过CH375获得U盘数据。CH375内置相关的固件程序，自动处理了USB等协议。单片机可以通过CH375直接获取U盘扇区的数据，因此只需处理FAT文件系统层就可以实现对U盘文件的操作。
2．2 MCU模块
    MCU模块，由STC12C4A60S52单片机及其外围电路组成。STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟／机器周期的单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，提供Flash程序存储器60 kByte，1 kByte的EEPROM，片上集成1 280 Byte RAM。工作电压5．5～3．5 V，内部集成MAx810专用复位电路，4个定时器，2个串口，2路PWM，8路高速10位A／D转换，ISP／IAP，内置看门狗电路，外部掉电检测电路等。

    图3为播放器MCU模块的硬件电路原理图，其中，JP4为电源输入接口，D1为电源指示灯，排阻Rp1为P0口的上拉电阻。JP2和JP3接到U盘读写模块对应的接口上。由于单片机在5 V电源下工作，而VS1003在3．3 V电源下，所以工作P1口应该接限流电阻到JP1再到音频解码模块对应的接口上。电路设置5个功能按键，“UP”为增大音量，“DOWN”为减小音量，“LEFT”为选择上一曲，“DOWN”为选择下一曲，而“PLAY”为播放／暂停键。
2．3 音频解码模块
    音频解码模块，由VS1003芯片及其外围电路组成。VS1003是一个单片MP3／WMA／MIDI音频解码器和ADPCM编码器。它包含一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP、工作数据存储器、为用户应用提供5 kB的指令RAM和0．5 kB的数据RAM、串行控制和数据接口、4个常规用途的I／O口、1个UART、1个高品质可变采样率的ADC和立体声DAC、1个耳机放大器和地线缓冲器。
    VS1003通过一个串行接口接收输入的bit流，可作为—个系统的从机。输入的bit流被解码，然后通过数字音量控制器到达1个18位过采样多位ε-△DAC。VS1003通过串行总线控制解码器，除了基本解码功能，在用户RAM中还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。

    图4为播放器的VS1003外围硬件电路原理图，其中，AVDD为模拟正电源3．3 V，CVDD为数字正电源2．5 V，IOVDD为I／O正电源3．3 V，模拟地与数字地用0电阻隔离。J1、J2均为3．5音频插座，J1为音频输出，J2为音频输入。
    单片机通过对VS1003寄存器的写入来设置VS1003芯片，对VS1003数据缓冲区写入数据，使其解码。

3 软件程序流程图
    单片机程序主要解决读取CH375数据，和写入VS1003寄存器用于播放音乐两个问题。其中，5种功能分别与图3的5个功能按键一一对应。软件程序流程图如图5所示。

4 结束语
    如图所示，旨在将音频处理功能从计算机剥离，拓展U盘使用范围，设计了针对U盘音频文件数据处理的播放器电路，并用C语言编写了相关程序。该电路主要由3个模块构成，其中主控器选用增强型51单片机STC12C5A60S2，语音解码芯片采用芬兰VLSI公司的VS1003，而USB设备接口芯片选用南京沁恒公司的CH375，采用USB主机方式，外部单片机无需处理USB协议，就可直接以扇区为基本单位读写常用USB存储设备。
    实际运行结果证明，该播放器完全符合设计预期，U盘即插即用，不仅可播放U盘中指定目录中的MP3文件、WMA文件、MIDI文件，还可以通过按键控制，实现各种功能。整个系统电路的性价比较高，具有较强的可拓性。