基于C51單片機的MP3播放器的硬件系統(tǒng)設計原理

便攜式MP3播放器作為一種集音頻播放、數(shù)據(jù)存儲為一身的數(shù)碼產(chǎn)品，其功能結構為電子設計人員所津津樂道。MP3是MPEG一1音頻III(1ayerIII)的簡稱。MPEG一1音頻(ISO／IECll 172—3)是目前普遍應用的音頻壓縮標準，其中層III的算法最為復雜，但壓縮比最大，效果也最好，在低碼率的條件下基本能達到CD的音質(zhì)效果。MP3標準用盡可能低的碼流實現(xiàn)CD音質(zhì)的聲音而不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)損失。如果對于一段聲音不進行壓縮的話，那么每存儲一秒鐘的立體聲CD音質(zhì)音樂必須用1．4Mbit，這是個十分大的開銷。通過運用MPEG音頻標準的壓縮技術，我們可以把存儲空間壓縮到原來的1／12而不會降低聲音的音質(zhì)。即使使用1／24的壓縮因子，仍然比單純降低采樣率的音質(zhì)要好。低數(shù)據(jù)量和高播放品質(zhì)的優(yōu)點使其成為音樂存儲、數(shù)字廣播、網(wǎng)上音樂傳輸?shù)闹饕绞?。人們不僅可以使用計算機軟件，還可以通過數(shù)字隨身聽來欣賞音樂。本設計以C51內(nèi)核單片機為核心，設計了MP3播放器。

1 MP3硬件設計

在該硬件系統(tǒng)的設計中，采用Atme 1公司生產(chǎn)的AT89C51SNDlC作為主控MCU。AT89C5lSNDlC是ATMEL公司專門針對MP3的需求而設計的一款多媒體8位微處理器，使用通用的C51內(nèi)核，片上集成了多種外設，為MP3產(chǎn)品提供了一套方便的解決方案。該芯片對電路的高度集成大大降低了系統(tǒng)的耗電和發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度，抗干擾能力也顯著增強。AT89C51SNDlC具有如下外設的集成，大大簡化了電路的設計：a．MP3硬件解碼器；b．可編程音頻輸出接口DAC；c．8位MCU C51：d．USBl．1控制器；e．內(nèi)建鎖相環(huán)PLL；f．多媒體卡接口適配器；g．SPI接口適配器；h．IDE／ATAPI接口；i．兩路10位ADC，8kHz；j．44個通用I／0；k．兩個16位定時器／計數(shù)器；1．硬件看門狗定時器；m．標準全工UART；n．兩線主被動模式控制器；o．SPI主被動模式控制器；p．電源管理模塊。

整個播放器的結構框圖如圖l所示。PC機通過USB接口實現(xiàn)對U盤的MP3歌曲、文檔等數(shù)據(jù)信息的存儲。系統(tǒng)啟動后，由MCU控制將儲存于Flasht辛歌曲的碼流信息送入MP3解碼芯片中解碼，并產(chǎn)生解碼輸出。在系統(tǒng)的DAC模塊通過CS4340芯片把解碼輸出轉換為模擬音頻聲音后， 經(jīng)功放電路一級音頻放大并驅動耳機，實現(xiàn)MP3歌曲的播放。系統(tǒng)硬件包括主控MCU、解碼器、Flash存儲系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、按鍵和D／A轉換器等幾部分。

1．1 解碼部分

這是MP3播放器的核心部件， 本設計采用硬件解碼技術。在本系統(tǒng)中筆者采用AT89C51SNDlC芯片。該芯片是一塊自帶MPEG I／II—Layer硬件解碼器和Human Interface的51內(nèi)核單片機。它可支持對8～320kbps基本數(shù)據(jù)流的解碼，支持的取樣頻率范圍為16～48kHz，非常適合于MPEG的音頻解碼， 并帶有數(shù)字語音錄音的MPEG播放模塊， 具有很高的性價比。解碼后的信號是可以直接輸出到DAC的立體聲、單聲道或雙聲道的數(shù)字信號，SP—CA751A與DAC的接口是可編程的。只要通過通用的串行I／0口和控制接口就能對MPEG比特流進行I／0和回放控制，系統(tǒng)控制器能很輕易地對MPEG音頻信號進行解碼。通過一個通用的可編程I2S接口，就能把一解碼的音頻PCM數(shù)據(jù)輸出到外部的DAC中，因此，大多數(shù)常用的音頻DAC都能和本芯片兼容，本設計采用的是CS4340芯片。

1．2 存儲部分

現(xiàn)采用1GB的FLASH存儲器，該存儲器能夠存儲19小時128kbps(達到CD音質(zhì))的音樂，該系統(tǒng)采用了SAMSUNG公司的1GB FLASH存儲芯片K9F5608UOB。

1．3 接口部分

一般通過PC的USB接口進行MP3文件的下載，傳輸速率為12Mbps。由于Atmel公司生產(chǎn)的AT89C5lSNDlC芯片僅支持USBl．1技術規(guī)范，因此接口速度稍慢。但對于MP3播放來說，可以滿足需要。

1．4 電源管理

便攜式MP3的體積小，可以使用兩節(jié)7號電池(3VDC)供電，同時也可以通過USB接口取電，因此采用低電壓以及進行有效的功率管理是非常必要的。

2 MP3軟件設計

硬件是設計的基礎，軟件是設計的靈魂。MP3程序由兩大部分組成：MP3播放功能模塊和USB通訊功能模塊。此外，為了調(diào)試方便，還有調(diào)試功能模塊。此模塊在系統(tǒng)軟件調(diào)試中使用，當MP3系統(tǒng)正常工作時去除。

MP3播放功能模塊的工作分為兩個部分：

第一部分是循環(huán)播放MP3歌曲，該功能需要首先做一些初始化工作，MP3解碼器一旦開始工作，就會一直向CPU請求數(shù)據(jù)，直至歌曲結束，只有通過鍵盤操作才會使該功能提前結束。因為MP3文件的數(shù)據(jù)量較大，在flash存儲器內(nèi)是以頁為單位進行存儲的，所以MP3的播放程序初始化就是要把該文件的首地址和頁數(shù)先讀出到CPU中，然后CPU可以根據(jù)如上數(shù)據(jù)進行取數(shù)據(jù)工作。

第二部分則一直在等待中斷發(fā)生，該程序是與鍵盤結合起來的，主要用于使用者對播放過程的控制。鍵盤操作對MP3播放過程的控制還包括后退、躍進、跳到下一首、音量控制等。因為整個播放過程的鍵盤控制功能比較單一，沒有鍵的復合操作，所以程序都很容易實現(xiàn)。當MP3播放器插入到USB接口時，系統(tǒng)執(zhí)行USB通訊功能模塊，該模塊主要用于對flash存儲器內(nèi)的文件數(shù)據(jù)進行管理。固件程序是該模塊開發(fā)的主要工作，由于AT89C5lSNDlC沒有外部中斷引腳，USB中斷沒有中斷向量地址入口，因此該固件程序的框架采用查詢工作方式。

3 FAT文件格式

因為該系統(tǒng)還要具有U盤的功能，所以存儲器中的文件還要能夠讓計算機讀寫和識別，也就是所有的文件還要嚴格滿足計算機文件系統(tǒng)格式的要求。在所有計算機文件系統(tǒng)中，F(xiàn)AT是比較常用的一種。

一個FAT文件系統(tǒng)卷由4個部分組成：保留區(qū)、FAT區(qū)、根目錄區(qū)、文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)。其中保留區(qū)中的第一個分區(qū)必須是BPB，也稱作“引導扇區(qū)”，因為它含有對文件系統(tǒng)進行識別的關鍵信息，計算機將以此信息識別存儲器文件格式，因此十分重要。

FAT區(qū)存放的是文件分配表。操作系統(tǒng)的存儲空間是按簇來分配的，簇是操作系統(tǒng)分配的最小存儲單元，每個簇在FAT表中占據(jù)一個16位的位置，稱為一個表項。同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定存放在存儲區(qū)的一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會分成若干段，像一條鏈子一樣的存放，這種存儲方式稱為文件的鏈式存儲。為了實現(xiàn)文件的鏈式存儲，必須準確地記錄哪些簇已經(jīng)被占用，還必須為每一個已經(jīng)占用的簇指明后繼內(nèi)容的下一個簇的簇號，對于一個文件的最后一個簇，則要指明本簇沒有后繼簇，這些就是由FAT表來存儲的。

根目錄區(qū)存放的是目錄項，每個目錄項為32個字節(jié)，記錄一個文件或目錄的信息。目錄項所占的空間與目錄項的個數(shù)有關。

文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)是真正存放文件數(shù)據(jù)的位置，所有數(shù)據(jù)都是按照以上信息分配存儲的。

4 結束語

MP3為取得較好的壓縮效果而采用相對復雜的技術，寬帶音頻信號的取樣率也較高(一般為44．1kHz以上)，所以MP3編解碼的運算量和數(shù)據(jù)量都相當龐大。MPEGLayer III解碼算法在AT89C51SNDlC上驗證通過并獲得較好的效果，在通過優(yōu)化后可流暢播放。由于51內(nèi)核單片機的性能限制，在緩沖時可能會有停頓。以上內(nèi)容敘述了由AT89C51SNDlC構成的最小系統(tǒng)的結構，具備了便攜式MP3播放器的基本功能。其實AT89C51SNDlC還支持LCD顯示和IDE接口，還可以通過對以上接口模塊進行擴展，構成更大更復雜的系統(tǒng)。