基于51單片機(jī)的嵌入式多媒體播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1、引言

　　隨著音頻解碼技術(shù)、存儲(chǔ)器技術(shù)、MP3高質(zhì)量壓縮技術(shù)等相關(guān)技術(shù)不斷的發(fā)展以及人們對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品需求的增加,MP3新產(chǎn)品層出不窮,成為時(shí)尚潮流前沿的一個(gè)最佳載體。人們可以用它休閑娛樂 ,也可以用它工作和學(xué)習(xí)。設(shè)計(jì)一款性價(jià)比優(yōu)良的MP3 播放器具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值[1]。隨著 C語(yǔ)言的發(fā)展和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的推廣 ,在嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用中 ,存在著大量的小型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。MP3 播放器的設(shè)計(jì) ,就是典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。MP3具有最基本的播放、選曲、音量控制、音效控制功能。當(dāng)連接到計(jì)算機(jī)的 USB接口時(shí)，MP3變成 U盤，可以向 U盤復(fù)制文件，文件包括 MP3歌曲文件和普通文件 [2,3]。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示：

　　2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

　　2.1 MP3文件格式 [4]

　　MP3 文件是由幀(frame)構(gòu)成的，幀是 MP3文件最小的組成單位。MP3的全稱應(yīng)為 MPEG1 Layer-3音頻文件，MPEG(Moving Picture Experts Group)在漢語(yǔ)中譯為活動(dòng)圖像專家組，特指活動(dòng)影音壓縮標(biāo)準(zhǔn)，MPEG 音頻文件是 MPEG1標(biāo)準(zhǔn)中的聲音部分，也叫 MPEG音頻層，它根據(jù)壓縮質(zhì)量和編碼復(fù)雜程度劃分為三層，即 Layer-1、Layer2、Layer3，且分別對(duì)應(yīng)MP1、MP2、MP3這三種聲音文件，并根據(jù)不同的用途，使用不同層次的編碼。MPEG音頻編碼的層次越高，編碼器越復(fù)雜，壓縮率也越高，MP1和 MP2的壓縮率分別為4：1 和 6：1-8：1，而 MP3的壓縮率則高達(dá)10：1-12：1，也就是說，一分鐘 CD音質(zhì)的音樂，未經(jīng)壓縮需要 10MB的存儲(chǔ)空間，而經(jīng)過 MP3壓縮編碼后只有 1MB左右。

　　MP3文件大體分為三部分：TAG_V2(ID3V2)，F(xiàn)rame, TAG_V1(ID3V1)。ID3是一個(gè)標(biāo)記MPEG的標(biāo)準(zhǔn)，具體的講，這些標(biāo)記是用來指明歌曲的作者、演唱者，年月、所屬專輯等信息，這樣，播放器在播放時(shí)可以讀出并顯示這些信息。

　　每個(gè) FRAME都有一個(gè)幀頭FRAMEHEADER，長(zhǎng)度是4BYTE（32bit）,幀頭后面可能有兩個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)，這兩個(gè)字節(jié)的是否存在決定于 FRAMEHEADER信息的第 16bit，為0則幀頭后面無(wú)校驗(yàn)，為 1則有校驗(yàn), 校驗(yàn)值長(zhǎng)度為 2個(gè)字節(jié)，緊跟在 FRAMEHEADER后面，接著就是幀的實(shí)體數(shù)據(jù)了，格式如下：

　　3、硬件設(shè)計(jì)

　?。?）、硬件方案選擇 本設(shè)計(jì)選用 ATMEL公司的 AT89C51SND1C芯片作為 MP3播放器的主控制器。主控制器的選定其實(shí)也取決于 MP3方案的選定。

　　從技術(shù)角度上說，MP3播放器有多種實(shí)現(xiàn)方案，其中分類方法也較多，這里僅從 MP3解碼方式和硬件類型方面進(jìn)行分類，大體可分為：（1）分離芯片的 MP3播放器；（2）集成 MP3功能單片機(jī)的 MP3播放器；（3）定制 ASIC電路的 MP3播放器；（4）采用 FPGA實(shí)現(xiàn)MP3播放器；（5）混合 MCU/DSP器件播放器。

　　經(jīng)過各種資料的搜索和比較，最后總結(jié)出三種有代表性的 MP3方案。如表 2所示：

　　由上表的分析結(jié)果及本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況,最后選定了方案1,方案內(nèi)容如下: AT89C51SND1C:CPU+解碼器+USB控制器；CS4330A：D/A轉(zhuǎn)換；任意雙路運(yùn)算放大芯片： 音頻放大；K9F5608：32M Flash存儲(chǔ)器；最后選定了集成 MP3解碼器的 MP3播放器方案，選擇了 AT89C51SND1C作為主控制器。

　　（2）、AT89C51SND1C簡(jiǎn)介 [5-6]

　　AT89C51SND1C是ATMEL公司推出的基于8位C51 MCU內(nèi)核的MP3解碼器芯片。它內(nèi)置 MP3硬件解碼器和 USB控制器，支持 48、44.1、32、24、22.05及 16KHZ采樣頻率，具有重低音、中音、高音均衡控制和重低音環(huán)繞聲效果。 它可以適應(yīng)市場(chǎng)上不同 DAC的可編程的音頻輸出接口，兼容 PCM格式和 I 2S格式。內(nèi)置 2304BRAM和 64KB Flash程序空間，方便用戶增加復(fù)雜的功能，并提供 MP3音頻時(shí)鐘及 USB時(shí)鐘。

　?。?）、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(詳見圖 2)

　　4、軟件設(shè)計(jì)

　　4.1、系統(tǒng)流程圖

　　①、系統(tǒng)主框架圖：

　?、凇P3音頻解碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程：

　?、?、MP3播放過程流程圖：

　?、邸⑷藱C(jī)交互流程圖見圖6：

　　4.2、功能定義

　　利用 Flash存儲(chǔ)器技術(shù)、MP3音頻解碼技術(shù)、USB接口技術(shù)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)如下的幾大主要功能：（一）、讀取 MP3音頻文件；（二）、解碼 MP3音頻文件；（三）、播放解碼后的 MP3歌曲文件；（四）、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互接口。(五)、U盤的讀寫。

　　4.3、AT89C51SND1C初始化 [8-9]

　　播放 MP3文件時(shí)，首先需要對(duì)主控制器 AT89C51SND1C進(jìn)行以下幾方面的初始化設(shè)置。如圖 7所示。

　?。?）鎖相環(huán)初始化，MP3解碼器、USB控制器和音頻輸出接口使用的都是內(nèi)部鎖相環(huán)提供的時(shí)鐘。程序設(shè)計(jì)如下：

　　void PllInit(void) { if (FirstStart)

　　{AUXR1 = 0xf2; //這兩個(gè)寄存器的值在用 Start Application和直接上電時(shí)

　　 //不一樣,前一種情況下 MP3解碼器才工作,

　　PLLCON = 0; //這里強(qiáng)制將其置為與用 Start Application按鈕時(shí)一致

　　FirstStart = 0; } //PLLCON:鎖相環(huán)控制寄存器；鎖相環(huán)時(shí)鐘及 MP3解碼器時(shí)鐘設(shè)置

　　CKCON |= X2; //0000 0001使能 X2模式,增加處理速度,

　　 //每個(gè)機(jī)器周期變成 6個(gè)振蕩周期即 3個(gè)時(shí)鐘周期 PLLCON = (~PLLRES); //使能 PLL PLLCON |= PLLEN;}

　　（2）MP3解碼器的初始化，即對(duì) MP3CON（MP3控制寄存器）和 MP3CLK（MP3時(shí)鐘除法器寄存器）進(jìn)行設(shè)置。程序設(shè)計(jì)如下： //MP3時(shí)鐘頻率的計(jì)算方法：MP3CLK=PLLCLK/(int)(MPCD+1)負(fù)反饋

　　MP3CLK|=MPCD; MP3CON = (~MSKREQ); //允許產(chǎn)生MP3中斷 MP3CON |= MPEN; //使能 MP3解碼器.

　　（3）音頻輸出接口初始化，要得到兩個(gè)聲道串行數(shù)據(jù)前，需要先對(duì)音頻輸出接口的AUDCON0（音頻接口控制寄存器0）和 AUDCON1（音頻接口控制寄存器1）中的相關(guān)部分進(jìn)行正確的設(shè)置。程序設(shè)計(jì)如下：

　　void PllInit(void)

　　{ if (FirstStart)

　　{AUXR1 = 0xf2; //這兩個(gè)寄存器的值在用Start Application 和直接上電時(shí)

　　//不一樣,前一種情況下MP3 解碼器才工作,

　　PLLCON = 0; //這里強(qiáng)制將其置為與用Start Application 按鈕時(shí)一致

　　FirstStart = 0; } //PLLCON:鎖相環(huán)控制寄存器；鎖相環(huán)時(shí)鐘及MP3 解碼器時(shí)鐘設(shè)置

　　CKCON |= X2; //0000 0001 使能X2 模式,增加處理速度,

　　//每個(gè)機(jī)器周期變成6 個(gè)振蕩周期即3 個(gè)時(shí)鐘周期

　　PLLCON = (~PLLRES); //使能 PLL

　　PLLCON |= PLLEN;}

　?。?）MP3 解碼器的初始化，即對(duì)MP3CON（MP3 控制寄存器）和MP3CLK（MP3 時(shí)鐘除法器

　　寄存器）進(jìn)行設(shè)置。程序設(shè)計(jì)如下：

　　//MP3 時(shí)鐘頻率的計(jì)算方法：MP3CLK=PLLCLK/(int)(MPCD+1)負(fù)反饋

　　MP3CLK|=MPCD;

　　MP3CON = (~MSKREQ); //允許產(chǎn)生MP3 中斷

　　MP3CON |= MPEN; //使能MP3 解碼器.

　?。?）音頻輸出接口初始化，要得到兩個(gè)聲道串行數(shù)據(jù)前，需要先對(duì)音頻輸出接口的

　　AUDCON0（音頻接口控制寄存器0）和AUDCON1（音頻接口控制寄存器1）中的相關(guān)部分進(jìn)行

　　正確的設(shè)置。程序設(shè)計(jì)如下：

　　void AudioInit()

　　{ unsigned char i = 10;

　　AUDCON0 = 0x77; //0111 0110

　　AUDCON1=(~0xB0); //SRC=0,MSREQ=0,MUDRN=0

　　AUDCON1 |= 0x01;

　　while (i)i--;

　　AUDCON1 |= 0x40;}

　?。?）按鍵初始化，實(shí)現(xiàn)播放MP3 的人機(jī)交互功能。

　　void KeyBoardInit()

　　{ P1 = 0x0f; //將端口1 的低四位,即鍵盤對(duì)應(yīng)的4 位置1

　　KBCON = 0x00; //設(shè)置鍵盤有效模式為低電平有效,并使能

　　IEN1 = IEN1 | EKB; } //使能鍵盤中斷Enable KeyBoard Interrupt

　　5、總結(jié)

　　嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟硬件的設(shè)計(jì)必須協(xié)同和嚴(yán)格規(guī)范。本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)圍繞著 AT89C51SND1C主控芯片進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)與調(diào)試。軟件設(shè)計(jì)則必須以硬件系統(tǒng)為前提以功能定義為要求進(jìn)行設(shè)計(jì)現(xiàn)調(diào)試。嵌入式系統(tǒng)硬件的定制，程序的設(shè)計(jì)必須多次的調(diào)試與完善。比如，硬件電路無(wú)法正常工作，必須分析原因、調(diào)試；開發(fā)環(huán)境相關(guān)軟件無(wú)法正常安裝，必須排除各種錯(cuò)誤，直到成功搭建開發(fā)環(huán)境；程序編譯出現(xiàn)錯(cuò)誤，必須利用調(diào)試功能找出錯(cuò)誤并修改代碼等等[10]。

　　嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式便攜多媒體播放器是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。嵌入式便攜多媒體播放器未來的發(fā)展方向?qū)?huì)呈現(xiàn)出多樣化、多功能化、普遍化的變化。