隨著人們對便攜式音樂播放器要求的提高，MP3播放器以其較小的體積和較好的音質(zhì)贏得了廣大音樂愛好者的青睞,。起初,，MP3文件只能由電腦來播放，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,，促進(jìn)了MP3播放器的產(chǎn)生,，隨著人們對MP3產(chǎn)品進(jìn)一步的認(rèn)識和更高層次的需求，MP3發(fā)生了一系列的變化,，其更加小巧精致,，更人機(jī)化和情趣化，個性區(qū)分也越來越強(qiáng),。還出現(xiàn)了功能的融人和產(chǎn)品的整合,，總之，MP3播放器正朝著功能強(qiáng)大,、外觀豐富,、價格便宜的方向發(fā)展。這里提出一種基于AT89C51SND1C的MP3播放器設(shè)計(jì)方案,。

1 MP3播放器簡介
    MP3播放器是一種新興的數(shù)字音樂播放器,，播放MP3,、WMA等格式的文件。通過用MPEG-1 Layer 3編碼技術(shù),，可以得到大約12：1壓縮的有損音樂信號,。盡管MP3音樂是有損的，它在壓縮過程中對功率譜較弱的信號有所丟失,，但它同CD原聲區(qū)別不大,，不影響一般音樂愛好者對音樂的欣賞。MP3大大縮小了聲音文件的長度,，使音樂的存儲和傳輸更方便,。
1．1 結(jié)構(gòu)
    MP3播放器一般分成3個部分：CPU、MP3硬件解碼器存儲器,。其中可以將前兩部分集成在一起,，即帶MP3硬件解碼器的CPU；或?qū)⒑髢刹糠旨稍谝黄?，即集成硬件解碼,、D／A轉(zhuǎn)換及音頻輸入。存儲器可以是Flash存儲器或硬盤,。綜合考慮元器件性價比等各方面的因素,，選定方案為：1)CPU+MP3解碼器+USB控制器：AT89C51SND1C；2)D／A轉(zhuǎn)換器：CS4330,；3)音頻放大器：任意雙路運(yùn)算放大器即可,；4)存儲器：K9F120 8；5)串口調(diào)試選用串口電平轉(zhuǎn)換器：MAX3232,；6)MP3屏幕顯示器：LCD1602,。
1．2 功能
    在該硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51SND1C作為主控MCU,，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：1)能對MP3或WMA格式的文件進(jìn)行解碼播放,；2)可以進(jìn)行模擬音量，音效調(diào)節(jié),，聲道選擇,，音量的范圍：+18～+75 dB，最小為靜音,；3)可對歌曲進(jìn)行選擇,，具有進(jìn)、退,、快進(jìn),、快退功能及指定播放第幾首歌曲的功能；4)通過USB接口,，可直接從PC機(jī)上高速下載音樂,，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)語音編碼格式壓縮和存儲數(shù)據(jù),。

2 MP3播放器工作原理
    MP3播放器的基本工作原理如圖1所示。通過USB接口把Flash存儲器上的MP3或者WMA等格式的數(shù)字音樂文件,，送到主芯片內(nèi)部集成的解碼芯片進(jìn)行解碼,，這些音樂文件經(jīng)過解碼后解碼為數(shù)字信號，然后通過A／D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號,，再通過功率放大器進(jìn)行音頻放大,，最后通過耳機(jī)輸出。本系統(tǒng)的一般工作過程如下：當(dāng)用戶要求播放MP3音樂時,，如果在該系統(tǒng)Flash存儲器里沒有歌曲,，可以通過USB接口連接PC機(jī)來下載音樂文件到存儲芯片中；若該系統(tǒng)中已存有MP3歌曲,，用戶可根據(jù)顯示屏上的文件名選擇或者順序選擇MP3文件,，選擇文件后主芯片將所選的音頻文件從Flash閃存中讀到主芯片集成的MP3解碼器解碼后變成數(shù)字信號，該信號按照用戶設(shè)定的外部D／A轉(zhuǎn)換器格式通過音頻接口輸出的外部A／D轉(zhuǎn)換器,，外部A／D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為人耳可接受的模擬信號并且通過功率放大器放大后送到耳機(jī),。在播放過程中可以進(jìn)行音量的增減等的選擇和控制。

3 MP3播放器的設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)方案可以方便地將外部的MP3格式的音樂文件傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)的存儲器Flash中,。由圖2硬件連接框圖可以看出本系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)主要包括：1)主芯片AT89C51SND1C和存儲器K9F1208之間的連接設(shè)計(jì)，包括片選信號,，讀寫信號以及AD信號的連接,；2)主芯片和USB接口的連接設(shè)計(jì)，此部分主要用于MP3文件的傳輸和固件下載,；3)主芯片和按鍵以及LCD之間的設(shè)計(jì)連接,，用戶通過顯示屏幕獲取播放器的進(jìn)程信息，通過按鍵來對音樂進(jìn)行選擇和控制,；4)主芯片和D／A轉(zhuǎn)換器之間,，這一系統(tǒng)將該系統(tǒng)解碼后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為人耳能識別的模擬信號，這一部分主要包括時鐘信號,、數(shù)據(jù)信號以及反饋信號的連接,；5)電源轉(zhuǎn)換部分，本系統(tǒng)內(nèi)部使用的電源一般為3．3 V,，而USB接口以及電池的電源都需要DC-DC部分來進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，從而為系統(tǒng)提供所需的3．3 V電源；6)播放系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)的切換電路設(shè)計(jì),。

3．1．1 主電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的主芯片采用美國ATMEL公司的AT89C51SND1C,，該芯片是一個2．5～3．3 V低電壓、80 mW低功耗,、運(yùn)算速度高,、功能完善,、高度集成并且低成本的單芯片數(shù)字(MPEG1，2,，2．5&3)音頻解碼器,。其特點(diǎn)如下：1)基于8位C51MCU核(最大時鐘頻率20 MHz)；2)內(nèi)部集成了單獨(dú)的
MP3解碼器,，而且支持48,，44．1，32,，24,，22．05，16 kHz采樣頻率,，支持左右聲道獨(dú)立的音量控制(軟件使用31級),、重低音、中音,、高音均衡控制(31級),、重低環(huán)繞聲效果、輔助數(shù)據(jù)輸出,、“CRC錯誤”和“MPEG幀同步”指示,；3)有44通用I／O口的嵌入式C51 Nand Flash，SSF-DC,，I2S,，SPI和IDE多種擴(kuò)展功能接口容易適應(yīng)多種應(yīng)用場合Flash／CD／HDD播放器等；4)具有適應(yīng)市場上不同的D／A轉(zhuǎn)換器的可編程的音頻輸出接口,，兼容PCM格式和I2S格式,；5)內(nèi)置2 304 B RAM；6)64KB Flash程序空間和4 KB引導(dǎo)閃存(AT89C51SND1),，在系統(tǒng)編程：通過USB,，UART接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程；7)USB1．1控制器,，“Full speed”數(shù)據(jù)傳輸,；8)內(nèi)置鎖相環(huán)，提供MP3音頻時鐘和USB時鐘,；9)兼容MultiMedia Card(MMC)卡接口,、Atmel Data Flash SPI接口、IDE／ATAPI(硬盤)接口,；10)通道10位A／D轉(zhuǎn)換器,，8 kHz(8位真有效值)，包括電池電壓監(jiān)視和軟監(jiān)控的錄音；11)兩個標(biāo)準(zhǔn)的16位的定時／計(jì)數(shù)器,、硬件看門狗,、帶有波特率發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)通用異步串口、主從I2C控制器,、主從SPI控制器,；12)電源管理模塊。包括上電復(fù)位,、軟件可編程MCU時鐘和空閑,、掉電模式。
    AT89C51SND1C內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化后實(shí)際就是64K80C51+MP3解碼器+USB,，使用該芯片設(shè)計(jì)MP3播放系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn),，如支持在系統(tǒng)編程不需要昂貴的仿真器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本降低,；內(nèi)置2 304 B的RAM,，方便用戶增加復(fù)雜的功能。此外,，由于該芯片內(nèi)部集成了大量的接口,，所以只需要很少的外圍器件如DC-DC，音頻D／A轉(zhuǎn)換器和存儲器就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求,，這樣可以做到系統(tǒng)空間很小,，這一點(diǎn)正好適應(yīng)現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的纖小而功能全面的要求。
3．1．2 存儲部分
    采用三星公司的Nand Flash K9F1208作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器,，用來存儲本系統(tǒng)所需播放的音樂文件,。主芯片AT89C51SND1C和Flash存儲器間的通信跟讀取一般的存儲器RAM、EEPROM等基本上是一致,，不同的就是多了CLE和ALE這2個引腳，這是由Flash本身的特點(diǎn)所決定的,。主芯片通過讀取R／B這個引腳來判斷Flash讀寫是否完成的,，如果正在讀寫那么這個引腳就為低電平表示正忙，如果讀寫完成,，該引腳電平變高,，處于READY(準(zhǔn)備)狀態(tài)，等待下次操作,。ALE和CLE這兩個信號均為上升沿有效,。WP引腳為寫保護(hù)，用來保護(hù)當(dāng)電源由于切換等造成不穩(wěn)定的情況下丟失數(shù)據(jù)的情況,。
3．1．3 接口部分
    AT89C51SND1C內(nèi)嵌了USB1．1控制器,，這樣便于與外部PC機(jī)的連接。AT89C51SND1C有特定的引腳來檢驗(yàn)USB接口是否接入USB主機(jī)設(shè)備,，當(dāng)電平由低變高,，表示已接入USB主機(jī),，系統(tǒng)進(jìn)入U盤功能。該控制器支持全速數(shù)據(jù)傳輸,，所需的48 MHz的參考時鐘是由PLL鎖相環(huán)提供給控制器的,。控制器內(nèi)部通過數(shù)字鎖相環(huán)DPLL生成控制器內(nèi)部所需的12 MHz的時鐘,。如圖3所示,，USB接口電路中除了根據(jù)USB協(xié)議的要求，要在D+,、D-上串聯(lián)20 Ω電阻,，并在D+上接一個1．5 KΩ的上拉電阻，還增加了一個USB插入的檢測電路以及USB工作指示燈,。USB插入檢測電路由一個電阻分壓組成,。當(dāng)USB插入PC上的USB接口時，USB_Insert信號會輸出高電平到P3．4,，此引腳檢測到此信號后,，便會執(zhí)行U盤功能；否則,，程序運(yùn)行時會執(zhí)行MP3功能,。P3．5輸入低電平時，VD1會點(diǎn)亮,，這個二極管用于表示USB的數(shù)據(jù)交換狀態(tài),，當(dāng)USB的端點(diǎn)有數(shù)據(jù)交換時，此燈會閃爍,。

3．1．4 D／A轉(zhuǎn)換部分
    當(dāng)MP3或者WMA等格式的音樂文件經(jīng)過主芯片內(nèi)部解碼后為數(shù)字信號,，而人耳所能識別的信號卻為模擬信號，系統(tǒng)利用CS4330進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。AT89C51SND1C從Flash中讀取數(shù)據(jù)之后,，將MP3格式的音樂在其內(nèi)部進(jìn)行硬件解碼為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，之后通過D／A轉(zhuǎn)換器CS4330來對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換成人耳可以接受的音樂,。主芯片AT89C51SND1C內(nèi)部有一個音頻輸出接口，支持不同格式的音頻數(shù)據(jù)流格式,，如PCM格式和I2S格式,，該接口可以跟幾乎所有的通用音頻D／A轉(zhuǎn)換器相連。CS4330在改善音頻質(zhì)量,，降低信噪比等方面都很好,。同時AT89C51SND1C內(nèi)部集成了MP3硬件解碼器，系統(tǒng)不需要外接額外的解碼器。解碼后的數(shù)字信號經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換后還原為模擬音頻信號,。
3．1．5 控制部分
    播控系統(tǒng)的設(shè)置通過按鍵來選擇,，AT89C51SND1C提供4個按鍵輸入口，連接USB前,，短接了DFU跳線,，運(yùn)行Boot Loader，進(jìn)入到固件下載,；接到USB前,，按下了FORMAT，則格式化U盤,；連接到USB,，不按任何鍵，則進(jìn)入U盤功能,。使用電池供電時,，不按任何鍵，則進(jìn)入MP3模式,。MP3鍵盤由4個鍵組成,，分別為Play／Pause鍵、Preview鍵,、Next鍵和Func鍵：Func,，功能切換；Next,，向后,；Previous，向前,；Pla-y／Pause,，播放／暫停。用戶在使用播放器時可以方便地根據(jù)自己的喜好來選擇歌曲播放或暫停,。操作狀態(tài)和設(shè)置信息通過LCD1602來顯示,。LCD采用液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形,。液晶顯示具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動,、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn),，正好適應(yīng)MP3播放器的需求。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    MP3播放器的軟件設(shè)計(jì)由2大部分組成：MP3播放功能模塊和USB通信功能模塊,。
3．2．1 MP3播放程序設(shè)計(jì)
    MP3播放程序設(shè)計(jì)要與鍵盤配合起來使用,。在主程序中，如果已經(jīng)處于播放狀態(tài)，則調(diào)用Play MP3程序播放歌曲,，直至播放到最后一首,。在Play MP3程序里面，MP3解碼器一旦開始工作以后,，就會一直向CPU請求數(shù)據(jù),，直至歌曲結(jié)束。如果用戶想切換歌曲,，則可直接按暫停鍵,，這樣此程序函數(shù)將會提前結(jié)束，進(jìn)入下一首歌曲的播放,。其播放流程如圖4所示,。

3．2．2 USB通信功能程序設(shè)計(jì)
    USB通信功能模塊用于對Flash存儲器內(nèi)的文件進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)MP3文件的下載,，由于AT89C51SND1C沒有外部中斷引腳,，USB中斷沒有中斷向量地址入口，USB驅(qū)動程序采用中斷查詢工作方式,。其流程如圖5所示,，在USB控制器使用前，首先對其進(jìn)行初始化,，然后在主程序中循環(huán)讀取USB端點(diǎn)中斷寄存器,，當(dāng)查詢到有中斷產(chǎn)生時則進(jìn)入到相應(yīng)的中斷處理程序，開始設(shè)備配置和數(shù)據(jù)傳輸,。

4 結(jié)束語
    本文提出基于AT89C51SND1C單片機(jī)的MP3播放器的設(shè)計(jì)方法,，此MP3播放器系統(tǒng)既有播放歌曲的功能又有U盤功能。兩種功能的轉(zhuǎn)換用USB接口檢測電路來控制,。當(dāng)MP3播放器上的USB設(shè)備插入PC機(jī)上的USB接口進(jìn)行文件下載時執(zhí)行U盤功能,，否則程序運(yùn)行執(zhí)行MP3功能。此設(shè)計(jì)低功耗,，易擴(kuò)展,，性價比高，與同類產(chǎn)品相比,，有很強(qiáng)的市場競爭能力和實(shí)用價值,。