高音质MP3播放器的设计

高音质MP3播放器的 高音质MP3播放器的设计 第25卷 Vo1.25 第1O期 No.1O 重庆理工大学(自然科学) JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience) 2011年10月 0ct.2011 高音质MP3播放器的设计 马俊 (上海海事大学信息工程学院,上海201306) 摘要:提出了一款基于SOC型单片机的MP3音乐播放器,详细论述了其硬件和软件结构 的设计.该系统使用主控制器C8051F020单片机和解码芯片VS1003B实现了对存储介质SD 卡中音频文件的解码.在显示设计方面,系统配备了NOKIA5110液晶来显示播放的相关 信息.由于采用了专用的音频解码芯片,该系统能够流畅地播放多种的音频文件且音质效 果很好.经过多次的软硬件测试,该系统现出了稳定,实用的特征. 关键词:SOC;MP3解码;SD卡;FAT文件系统 中图分类号:TN911文献标识码:A文章编号:1674—8425(2011)10—0077—05 DesignofMP3PlayerinSoundHigh—fidelity MAJun (CollegeofInformationEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,Chi na) Abstract:ThispaperdescribedatypeofMP3playerbasedonaSOC—typeMCUandthedesignofits hardwareandsoftwareindetail.Thesystemrealizedthedecodingofaudiofilesexistedinstora geme— diumSDcardbymakinguseofamaster—controlunitcalledC8051F020andencoder—decoderchip namedasVS1003B.Owingtotheapplicationofdedicatedaudiodecoderchip,thesystemperf ormed wellintherespectofplayingdifferentkindsofaudiofilesandacousticfidelity.Throughaserie sof hardwareandsoftwaretesting,thesystemhasthecharacteristicsofstabilityandpracticality. Keywords:SOC;MP3decode;SDcard;FATfilesyste MP3的全称是MovingPictureExpelsGroup AudioLayerIll,它是利用MPEGAudioLayer3技 术,将音乐以1:10甚至1:12的压缩率压缩成容 常好地保持了原来的音质.正是因为MP3具有体 积小,音质高的特点,使得MP3格式几乎成为网上 音乐的代名词. 量较小的文件.换句话说,它能够在音质丢失很MP3播放器,顾名思义也就是可播放MP3格 小的情况下把文件压缩到更小的程度,而且还非式的音乐播放工具.它通常由微控制器,存储器, 收稿日期:2011—07—26 作者简介:马俊(1988一),男,硕士研究生,主要从事嵌入式系统应用研究. 78重庆理工大学 解码芯片,音频放大电路,按键及LCD显示屏等几 个部分组成.MP3播放器通过USB接口与电脑建 立通讯联系,将MP3编码格式的文件存储于存储 器中.播放时,在微控制器系统的作用下,提取存 储器中的音乐文件通过解码芯片进行解码.解码 后的数字信号再进行数模转换,形成模拟音频信 号,然后经过音频放大器放大,再由耳机信号端口 输出,最后就可以通过接在音频端口的耳机听到 动听的音乐. 1系统总体设计 作为一个完整MP3播放系统,其系统将会涉 及到硬件和软件2方面.其中,硬件系统的设计 主要包括硬件系统的结构,器件选择和相互问的 接口设计,各模块的划分,相互关系以及具体功能 的设定等….软件系统的设计包括外部总线的实 现,以及在此基础上对各外设的驱动,并通过c语 言编程控制数据流的走向和各组件的协调 工作. 音乐播放器的特点是实用性,便携性和稳定 性.正是因为如此,在设计上尽量让电路精简,体 积小,功耗低.为了方便对系统进行修改,功能升 级以及进行测试和调试,系统采用了模块化设计 的思想J.从功能方面来看,本系统可以分为音 频解码模块,微控制器模块,液晶模块,键盘模块, 电源模块,JTAG编程接口模块几个部分.整个系 统框图如图1所示. 2系统硬件设计 2.1单片机系统 本系统采用SiliconLaboratories公司的SOC 型单片机C8051F020.C8051F系列单片机是完全 集成的混合信号系统级芯片,具有与传统MCS一 51单片机完全兼容的指令内核.除此之外,它采 用了流水线处理技术,不再区分时钟周期和机器 周期,能在执行指令期间预处理下一条指令,提高 了指令的执行效率,且大部分指令都能在一个时 钟周期内完成,最大处理速度达到25MIPS.该 单片机包括丰富的模拟和数字外设,如AD,DA, PGA,比较器,电压基准,温度传感器,WDT,定时 器,PCA,PWM接口,以及多种串行接口,如 UART,12C ,SPI,同时集成有JTAG,方便在线编程 ,该单片机的存储器资源丰富,集成 和调试.此外 有256B的片内RAM和4k的片外RAM,以及64k 的FLASH.因此,总的说来该单片机完全可以满 足一般的系统设计要求. 图1系统框图 2.2音频编解码模块 音频编解码模块是本设计的核心之一.为了 使系统对MP3,WMA,MIDI等格式的音频文件均 能进行播放,本设计选用VLSI公司出品的 VSIOO3B这款音频编解码芯片.该芯片是一款单 芯片的MP3,WMA,MIDI音频解码和ADPCM编码 芯片,其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核 VS—DSP,5k的指令RAM,0.5k的数据RAM,串行 的数据输入接口,4个通用I/O口,1个UART口, 同时片内带1个可变采样率的ADC,1个立体声 DAC以及音频耳机放大器,非常符合本系统的设 计要求. VS1003对电源的要求较高,正常工作时需要 2种不同的电压2.5V和3.3V同时对其供电,且 同一电源电压下模拟电源和数字电源之间为免相 互之间发生干扰要用电感相隔l5].其供电电路如 图2所示. 马俊:高音质MP3播放器的设计79 +33VAVDDIOVDD 图2VS1003供电电源原理 如图3所示,系统的输入电源是9V,经过 LM7805稳压后变为5V.LM7805的输出端并有 2个电容到地,起滤波作用.其后5V电压分成2 路,一路给AMS117—3.3V,稳压后输出3.3V电 压,另一路给AMS117—2.5V,稳压后输出2.5V 电压.2路输出电压后面分别经过兀型滤波,进一 步降低电压纹波,最后再给芯片供电.图中为避 免AVDD和IOVDD之间相互干扰,二者之间使用 0欧姆电阻R1起加以隔离.另外,VS1003B除了 电源引脚之外,其他引脚都可以与单片机的通用 I/O口相连.它与单片机的连接可参见其典型 应用 V JP1 图3NOKIA5110显示模块与单片机的连接 2.3音频文件存取模块 本设计中的音频文件存取模块电路以美国 SanDisk公司生产的SD卡为核心.该SD卡支持 SPI总线J,只需要3根线和单片机相连,使用起 来非常方便.除此之外,SD卡通过外接SD卡专 用的USB读写控制芯片AU6331可以方便地实现 SD卡与上位机之间的USB通信. SD卡的内部结构主要包括片上控制器, FLASH存储模块,控制和状态寄存器,内部时钟, 电源管理以及引脚接口部分.SD卡上所有单元 由内部时钟发生器提供时钟,接口驱动单元同步 外部时钟的DAT和CMD信号到内部所用时钟. SD卡共有6个寄存器,通过读写这些寄存器可对 SD卡进行设置并获得其状态.SD卡有2个可选 的通信协议:SD模式和SPI模式.SD模式下总共 需要6条线,1条时钟线,1条命令线,4条数据线. 此模式下的数据传输是受保护的.SPI模式下共 需要4条线,3条SPI总线(时钟,数据输入,数据 输出),1条片选信号线.此模式下的数据传输是 不受保护的.sD卡以块为单位对数据进行读写. 在设定块大小为512字节时,一次可以读写1个 扇区.本系统中单片机读写SD卡采用的是SPI 总线. 2.4液晶显示模块 本系统属于便携式设备,在系统的使用中,液 80重庆理工大学 晶显示模块除了能够满足显示要求之外,还应当 具有体积小,功耗低等特点.LPH7366是NOKIA 公司生产的可用于该公司的5110系列移动电话 的液晶显示模块,所以习惯称该显示模块为NO— KIA5110液晶显示模块.与类似产品相比较,NO— KIA5110显示模块具有如下特点:?84×48的点 阵LCD,可以显示4行汉字,字符及图片;?采用 串行接口与控制器进行通讯,对I/O口资源的占 用大大减少,传输速率高达4Mb/s,可全速写入显 示数据,无需等待时间;?LCD控制器/驱动器芯 片(PCD8544)已经绑定到LCD晶片上,模块体积 进一步减小;?采用低电压供电,正常显示时工作 电流在200以下,且具有掉电模式.正是由于 NOKIA5110有以上特点,所以非常适合应用在电 池供电的便携式设备中.NOKIA5110显示模块采 用串行口与控制器进行通讯.它与微控制器的连 接如图3所示. 3系统软件设计 在一个完整的系统设计中,除了硬件之外,软 件设计也是一项非常重要的内容.本系统的软件 设计主要分为4个部分,即SD卡读取软件, VS1003B解码单元软件,液晶显示软件,键盘控制 软件. 3.1从SD卡中读取文件的实现 要想成功从SD卡中读取所需文件或把外界 文件存储在SD卡中,除了按照规定的通信方式和 SD卡通信外,还要遵从SD卡中已有的文件存储 方式来进行,即按照通常所说的文件系统来存取 文件.在本系统中,单片机对SD卡的读写采用 SPI总线模式,所选SD卡采用FAT32文件系统进 行数据的存储.因此,从SD卡中读取文件的实现 主要分为2个部分:单片机与SD卡间SPI通信的 实现和FAT32文件系统读写的实现. 本设计中所选用的单片机C8051F020含有一 个串行外设接口SP10J,对它的访问和控制是通 过系统控制寄存器中的配置寄存器SPIOCFG,控 制寄存器SPIOCN,数据寄存器SPIODAT和时钟频 率寄存器SPIOCKR这4个特殊功能寄存器来实现 的.而在SD卡内部包含1个片上控制器,它通 过9脚和外部微控制器通信,接口可采用SPI模式 .当SD卡收到复位命令(CMD0)时, 或SD模式 并且cs信号有效(低电平),SPI模式将启动. 操作系统中负责管理和存储文件信息的软件 机构称为文件管理系统,简称文件系统.文件系 统由3部分组成:与文件管理有关的软件,被管理 的文件以及实施文件管理所需的数据结构.从系 统角度来看,文件系统是对文件存储器空间进行 组织和分配,负责文件的存储并对存入的文件进 行保护和检索的系统j.具体地说,它负责为用 户建立文件,存入,读出,修改,转储文件,控制文 件的存取,当用户不再使用时撤销文件等.其中, 常见的文件系统有FAT和NTFS.在本系统中,SD 卡内的数据存储采用的FAT32文件系统.对 FAT32文件统读写的软件实现是本系统软件设计 部分的难点和核心内容.为了能更为直观的了解 这些分区中数据的存储,可以借助一款专门用于 磁盘数据保护和恢复的软件WinHex.从SD卡中 读取文件流程如图4所示. JIRDBRI I 得到首簇号 I 读取所有簇号信息 l 读取文件信息 图4读取FAT32文件系统数据流程 3.2VS1003B解码的实现 如前所述,VS1003B用SPI总线来与单片机 进行通信,其解码过程的实现是通过单片机操作 其内部相应寄存器的值来完成的.VS1003B的解 码初始化的流程:?将XRESET引脚电平置为0, 对VSIO03B进行硬件复位;?延时一段时间后, 马俊:高音质MP3播放器的设计81 将XDCS,XCS,XRESET引脚电平置为1;?等待 DREQ引脚电平变高,即表示VSIOO3B可以接收 数据;?设置SPI总线为低速模式;?将SPI— MODE寄存器值设为0X0804,对VS1003B进行软 件复位;?等待DREQ引脚电平变高,表示软件复 位结束;?给SCI—CLOCKF寄存器赋值,设置 VS1003B的时钟频率;?给SPI—AUDATA寄存器 赋值,设置VS1003B的采样率;?给SCI—VOL寄 存器赋值,设置音量;?设置SPI总线为高速 模式. 至此,VS1003B的解码初始化结束,接下来只 要按正确的方式将音频文件数据发送给 VS1003B,就能自动识别其码率,然后通过一定的 解码速率进行解码?.由于解码的速率已经确 定,为了能流畅地播放出音乐,VSIO03为用户准 备了0.5k的数据缓冲区作为音频数据的缓冲. 另外,为了实时确定数据缓冲区里有无数据?, VS1003专门设定了一个中断脚DREQ,只需要判 断其引脚电平的高低即可.解码电路单元的程序 设计流程如图5所示. 图5VSIO03解码流程 3.3液晶显示模块的实现 液晶显示模块选用的是NOKIA5110,它的控 制器是PCD8544.由于该控制器无内部字库,因 此全部西文及中文字库均需自制,由于可通过字 模软件自由生成字模代码,因此显示字体可灵活 多变.关于显示程序,主要包括基本的读写操作 和初始化操作. PCD8544的初始化过程分为几部分:给复位 电平,复位电平的脉宽最多为100ms;设置显示模 块的工作模式;设置显示模块的工作偏置电压;配 置功能寄存器,进行温度校正;清屏;开显示(CE 引脚置为低电平). 4结束语 给出了一款高音质MP3播放器的设计方案. 经过实际制作和测试,该系统完成了对MP3, WMA,MIDI等格式音频文件的播放,且音质较好. 系统设有矩阵键盘输入,可供多种不同的播放形 式的选择,从而实现了人机交互.显示屏选用 NOKIA5110,界面友好.总的说来,该方案具有便 于携带,电路简单,成本低廉的特点,性价比较高. 参考文献: [1]何立民.单片机高级教程[M].北京:北京航空航天 大学出版社,2007. [2]马忠梅.单片机的c语言应用程序设计[M].4版. 北京:北京航空航天大学出版社,2007. [3]潘永雄,刘殊.单片机原理与应用[M].西安:西安电 子科技大学出版社,2000. [4j张培仁.基于c语言C8051F系列微控制器原理与 应用[M].北京:清华大学出版社,2007. [5]康华光,邹寿彬.电子技术基础数字部分[M].4版. 北京:高等教育出版社,2000. [6]SanDiskCorporation.SanDIskSecureDigitalCardProd— uctManual[M].[s.1.]:[Sn.],2004. [7]万光毅.SOC单片机试验,实践与应用设计一基于 C8051F系列[M].北京:北京航空航天大学出版 社.2006. [8]SanDiskCorporation.SanDIskSecureDigitalCardProd— uctManual[M].[s.1_]:[S.n.],2004. [9]MicrosoftCorporation.MicrosoftExtensibleFirmware InitiativeFAT32FileSystemSpecification[M].[s. 1.]:[s.n.],21300. [1O]VLSISolutionOy.VS1003MP3/WMAAUDIOCODEC [z].[s.I.]:VLSISolutionOy,2005. (责任编辑陈松)