高音質MP3播放器的設計

馬 俊

(上海海事大學信息工程學院，上海 201306)

MP3的全稱是Moving Picture Experts Group Audio Layer III，它是利用 MPEG Audio Layer 3技術，將音樂以1∶10甚至1∶12的壓縮率壓縮成容量較小的文件。換句話說，它能夠在音質丟失很小的情況下把文件壓縮到更小的程度，而且還非常好地保持了原來的音質。正是因為MP3具有體積小、音質高的特點，使得MP3格式幾乎成為網上音樂的代名詞。

MP3播放器，顧名思義也就是可播放MP3格式的音樂播放工具。它通常由微控制器、存儲器、解碼芯片、音頻放大電路、按鍵及LCD顯示屏等幾個部分組成。MP3播放器通過USB接口與電腦建立通訊聯系，將MP3編碼格式的文件存儲于存儲器中。播放時，在微控制器系統的作用下，提取存儲器中的音樂文件通過解碼芯片進行解碼。解碼后的數字信號再進行數模轉換，形成模擬音頻信號，然后經過音頻放大器放大，再由耳機信號端口輸出，最后就可以通過接在音頻端口的耳機聽到動聽的音樂。

1 系統總體設計方案

作為一個完整MP3播放系統，其系統將會涉及到硬件和軟件2方面。其中，硬件系統的設計主要包括硬件系統的結構、器件選擇和相互間的接口設計，各模塊的劃分、相互關系以及具體功能的設定等［1］。軟件系統的設計包括外部總線的實現，以及在此基礎上對各外設的驅動，并通過C語言編程控制數據流的走向和各組件的協調工作［2］。

音樂播放器的特點是實用性、便攜性和穩定性。正是因為如此，在設計上盡量讓電路精簡、體積小、功耗低。為了方便對系統進行修改、功能升級以及進行測試和調試，系統采用了模塊化設計的思想［3］。從功能方面來看，本系統可以分為音頻解碼模塊、微控制器模塊、液晶模塊、鍵盤模塊、電源模塊、JTAG編程接口模塊幾個部分。整個系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 單片機系統

本系統采用Silicon Laboratories公司的SOC型單片機C8051F020。C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與傳統MCS－51單片機完全兼容的指令內核。除此之外，它采用了流水線處理技術，不再區分時鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高了指令的執行效率，且大部分指令都能在一個時鐘周期內完成，最大處理速度達到25MIPS［4］。該單片機包括豐富的模擬和數字外設，如AD、DA、PGA、比較器、電壓基準、溫度傳感器、WDT、定時器、PCA、PWM接口，以及多種串行接口，如UART、I2C、SPI，同時集成有 JTAG，方便在線編程和調試。此外，該單片機的存儲器資源豐富，集成有256B的片內RAM和4k的片外RAM，以及64k的FLASH。因此，總的說來該單片機完全可以滿足一般的系統設計要求。

圖1 系統框圖

2.2 音頻編解碼模塊

音頻編解碼模塊是本設計的核心之一。為了使系統對MP3、WMA、MIDI等格式的音頻文件均能進行播放，本設計選用 VLSI公司出品的VS1003B這款音頻編解碼芯片。該芯片是一款單芯片的MP3、WMA、MIDI音頻解碼和ADPCM編碼芯片，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP，5k的指令 RAM，0.5k的數據 RAM，串行的數據輸入接口，4個通用I/O口，1個UART口，同時片內帶1個可變采樣率的ADC，1個立體聲DAC以及音頻耳機放大器，非常符合本系統的設計要求。

VS1003對電源的要求較高，正常工作時需要2種不同的電壓2.5 V和3.3 V同時對其供電，且同一電源電壓下模擬電源和數字電源之間為免相互之間發生干擾要用電感相隔［5］。其供電電路如圖2所示。

圖2 VS1003供電電源原理

如圖3所示，系統的輸入電源是9 V，經過LM7805穩壓后變為5 V。LM7805的輸出端并有2個電容到地，起濾波作用。其后5 V電壓分成2路，一路給AMS117－3.3V，穩壓后輸出3.3 V電壓，另一路給AMS117－2.5 V，穩壓后輸出2.5 V電壓。2路輸出電壓后面分別經過∏型濾波，進一步降低電壓紋波，最后再給芯片供電。圖中為避免AVDD和IOVDD之間相互干擾，二者之間使用0歐姆電阻R1起加以隔離。另外，VS1003B除了電源引腳之外，其他引腳都可以與單片機的通用I/O口相連。它與單片機的連接可參見其典型應用。

圖3 NOKIA5110顯示模塊與單片機的連接

2.3 音頻文件存取模塊

本設計中的音頻文件存取模塊電路以美國SanDisk公司生產的SD卡為核心。該SD卡支持SPI總線［6］，只需要3根線和單片機相連，使用起來非常方便。除此之外，SD卡通過外接SD卡專用的USB讀寫控制芯片AU6331可以方便地實現SD卡與上位機之間的USB通信。

SD卡的內部結構主要包括片上控制器、FLASH存儲模塊、控制和狀態寄存器、內部時鐘、電源管理以及引腳接口部分。SD卡上所有單元由內部時鐘發生器提供時鐘，接口驅動單元同步外部時鐘的DAT和CMD信號到內部所用時鐘。SD卡共有6個寄存器，通過讀寫這些寄存器可對SD卡進行設置并獲得其狀態。SD卡有2個可選的通信協議:SD模式和SPI模式。SD模式下總共需要6條線，1條時鐘線，1條命令線，4條數據線。此模式下的數據傳輸是受保護的。SPI模式下共需要4條線，3條SPI總線(時鐘，數據輸入，數據輸出)，1條片選信號線。此模式下的數據傳輸是不受保護的。SD卡以塊為單位對數據進行讀寫。在設定塊大小為512字節時，一次可以讀寫1個扇區。本系統中單片機讀寫SD卡采用的是SPI總線。

2.4 液晶顯示模塊

本系統屬于便攜式設備，在系統的使用中，液晶顯示模塊除了能夠滿足顯示要求之外，還應當具有體積小、功耗低等特點。LPH7366是NOKIA公司生產的可用于該公司的5110系列移動電話的液晶顯示模塊，所以習慣稱該顯示模塊為NOKIA5110液晶顯示模塊。與類似產品相比較，NOKIA5110顯示模塊具有如下特點:①84×48的點陣LCD，可以顯示4行漢字、字符及圖片;② 采用串行接口與控制器進行通訊，對I/O口資源的占用大大減少，傳輸速率高達4Mb/s，可全速寫入顯示數據，無需等待時間;③ LCD控制器/驅動器芯片(PCD8544)已經綁定到LCD晶片上，模塊體積進一步減小;④采用低電壓供電，正常顯示時工作電流在200 μA以下，且具有掉電模式。正是由于NOKIA5110有以上特點，所以非常適合應用在電池供電的便攜式設備中。NOKIA5110顯示模塊采用串行口與控制器進行通訊。它與微控制器的連接如圖3所示。

3 系統軟件設計

在一個完整的系統設計中，除了硬件之外，軟件設計也是一項非常重要的內容。本系統的軟件設計主要分為4個部分，即 SD卡讀取軟件，VS1003B解碼單元軟件，液晶顯示軟件，鍵盤控制軟件。

3.1 從SD卡中讀取文件的實現

要想成功從SD卡中讀取所需文件或把外界文件存儲在SD卡中，除了按照規定的通信方式和SD卡通信外，還要遵從SD卡中已有的文件存儲方式來進行，即按照通常所說的文件系統來存取文件。在本系統中，單片機對SD卡的讀寫采用SPI總線模式，所選SD卡采用FAT32文件系統進行數據的存儲。因此，從SD卡中讀取文件的實現主要分為2個部分:單片機與SD卡間SPI通信的實現和FAT32文件系統讀寫的實現。

本設計中所選用的單片機C8051F020含有一個串行外設接口SPI0［7］，對它的訪問和控制是通過系統控制寄存器中的配置寄存器SPI0CFG、控制寄存器SPI0CN、數據寄存器SPI0DAT和時鐘頻率寄存器SPI0CKR這4個特殊功能寄存器來實現的。而在SD卡內部包含1個片上控制器［8］，它通過9腳和外部微控制器通信，接口可采用SPI模式或SD模式。當SD卡收到復位命令(CMD0)時，并且CS信號有效(低電平)，SPI模式將啟動。

操作系統中負責管理和存儲文件信息的軟件機構稱為文件管理系統，簡稱文件系統。文件系統由3部分組成:與文件管理有關的軟件、被管理的文件以及實施文件管理所需的數據結構。從系統角度來看，文件系統是對文件存儲器空間進行組織和分配，負責文件的存儲并對存入的文件進行保護和檢索的系統［9］。具體地說，它負責為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉儲文件，控制文件的存取，當用戶不再使用時撤銷文件等。其中，常見的文件系統有FAT和NTFS。在本系統中，SD卡內的數據存儲采用的FAT32文件系統。對FAT32文件統讀寫的軟件實現是本系統軟件設計部分的難點和核心內容。為了能更為直觀的了解這些分區中數據的存儲，可以借助一款專門用于磁盤數據保護和恢復的軟件WinHex。從SD卡中讀取文件流程如圖4所示。

圖4 讀取FAT32文件系統數據流程

3.2 VS1003B解碼的實現

如前所述，VS1003B用SPI總線來與單片機進行通信，其解碼過程的實現是通過單片機操作其內部相應寄存器的值來完成的。VS1003B的解碼初始化的流程:①將XRESET引腳電平置為0，對VS1003B進行硬件復位;② 延時一段時間后，將XDCS、XCS、XRESET引腳電平置為1;③ 等待DREQ引腳電平變高，即表示VS1003B可以接收數據;④ 設置 SPI總線為低速模式;⑤ 將 SPI_MODE寄存器值設為0X0804，對VS1003B進行軟件復位;⑥等待DREQ引腳電平變高，表示軟件復位結束;⑦ 給 SCI_CLOCKF寄存器賦值，設置VS1003B的時鐘頻率;⑧給SPI_AUDATA寄存器賦值，設置VS1003B的采樣率;⑨ 給SCI_VOL寄存器賦值，設置音量;⑩ 設置 SPI總線為高速模式。

至此，VS1003B的解碼初始化結束，接下來只要按正確的方式將音頻文件數據發送給VS1003B，就能自動識別其碼率，然后通過一定的解碼速率進行解碼［10］。由于解碼的速率已經確定，為了能流暢地播放出音樂，VS1003為用戶準備了0.5k的數據緩沖區作為音頻數據的緩沖。另外，為了實時確定數據緩沖區里有無數據［10］，VS1003專門設定了一個中斷腳DREQ，只需要判斷其引腳電平的高低即可。解碼電路單元的程序設計流程如圖5所示。

圖5 VS1003解碼流程

3.3 液晶顯示模塊的實現

液晶顯示模塊選用的是NOKIA5110，它的控制器是PCD8544。由于該控制器無內部字庫，因此全部西文及中文字庫均需自制，由于可通過字模軟件自由生成字模代碼，因此顯示字體可靈活多變。關于顯示程序，主要包括基本的讀寫操作和初始化操作。

PCD8544的初始化過程分為幾部分:給復位電平，復位電平的脈寬最多為100 ms;設置顯示模塊的工作模式;設置顯示模塊的工作偏置電壓;配置功能寄存器，進行溫度校正;清屏;開顯示(CE引腳置為低電平)。

4 結束語

給出了一款高音質MP3播放器的設計方案。經過實際制作和測試，該系統完成了對 MP3、WMA、MIDI等格式音頻文件的播放，且音質較好。系統設有矩陣鍵盤輸入，可供多種不同的播放形式的選擇，從而實現了人機交互。顯示屏選用NOKIA5110，界面友好。總的說來，該方案具有便于攜帶、電路簡單、成本低廉的特點，性價比較高。

［1］何立民.單片機高級教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［2］馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計［M］.4版.北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［3］潘永雄，劉殊.單片機原理與應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2000.

［4］張培仁.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［5］康華光，鄒壽彬.電子技術基礎數字部分［M］.4版.北京:高等教育出版社，2000.

［6］SanDisk Corporation.SanDIsk Secure Digital Card Product Manual［M］.［S.l.］:［s.n.］，2004.

［7］萬光毅.SOC單片機試驗、實踐與應用設計—基于C8051F系列［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［8］SanDisk Corporation.SanDIsk Secure Digital Card Product Manual［M］.［S.l.］:［s.n.］，2004.

［9］Microsoft Corporation.Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification［M］.［S.l.］:［s.n.］，2000.

［10］VLSI Solution Oy.VS1003MP3/WMA AUDIO CODEC［Z］.［S.l.］:VLSI Solution Oy，2005.