一種基于單片機的MP3音頻播放器設計

何 冰

（1.渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南　714099；2.陜西省X射線檢測與應用研究開發中心 陜西 渭南　714099）

一種基于單片機的MP3音頻播放器設計

何 冰1，2

（1.渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南714099；2.陜西省X射線檢測與應用研究開發中心 陜西 渭南714099）

本設計采用以STC12C5A60S2單片機作為MP3播放器的核心，將U盤作為數據存儲介質，通過編寫程序代碼將U盤中的MP3等格式音頻文件傳送到STC12C5A60S2單片機中；然后由VS1003解碼芯片對MP3文件進行解碼；最后將解碼后的數字信號轉換成模擬信號并通過功放設備輸出。所實現的功能可以通過按鍵對播放器實現"上一首"、"下一首"、"播放"等操作。本設計經軟硬件測試，不僅可以實現對U盤的識別，還能播放MP3、WMA、WAV等格式的音頻文件，具有聲音播放流暢，操作簡單，功耗低等特點。

單片機；MP3播放器；VS003解碼芯片；U盤

近幾年，隨著MP3音樂播放器的不斷發展，如今的MP3價格早已在百元之內了，它充斥著我們的生活，這不光體現在MP3播放器，更大程度上體現在MP3技術向其他的產品進行了滲透，MP3技術早已經向手機進行了滲透，所以我們現在的手機都可以進行MP3播放，其他的一些產品比如說數碼相框或數碼相機也都支持了MP3播放的功能，甚至現在的鬧鐘也可以進行MP3播放了，所以我們更可以看到MP3技術已經滲透到我們生活的點點滴滴了，MP3技術產生了極大商業需求，MP3關鍵技術和作為重要的是解碼器［1-2］，我們將聲波進行定時的采樣，將采樣所得到的電壓值進行記錄，這就是原始的音頻數據。如果要得到較好的音質，就要提高采樣率，但是采樣率越高所產生的原始音頻數據量也就越大，所以人們就想到了數據的壓縮技術，將大的數據量壓縮為較小的數據量，同時又不損失太多的音質，MP3的數據就是原始的音頻數據經過MP3的編碼算法最終所得到的數據。因此我們得到一個MP3的數據之后，要想播放出聲音就要進行解碼，還原出最原始的音頻數據，這樣才能夠對聲波進行擬合，最終播放出聲音。

1　MP3　播放器硬件設計與實現

1.1MP3硬件組成框圖

本設計主要由3大模塊組成，分別為單片機處理模塊［3-4］、U盤讀寫模塊和音頻解碼模塊。單片機處理模塊通過U盤讀寫模塊從U盤中讀取音頻文件，然后傳送到音頻解碼模塊進行解碼并功放輸出。圖1為硬件設計結構框圖。

圖1　硬件設計結構框圖

1.2單片機處理模塊

本設計單片機處理模塊由STC12C5A60S2芯片及其外圍電路組成，STC12C5A60S2系列單片機是宏晶公司生產的高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，其內核、引腳及指令代碼完全兼容傳統8051，能夠實現單時鐘/機器周期，在相同條件下運行速度比傳統單片機快8～12倍。并且內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/ D轉換（250 K/S，即25萬次/秒），4個 16位定時器，1K字節的EEPROM，工作電壓5.5～3.5 V，提供Flash程序存儲器8～62k字節，此外片上集成數據存儲器（1280字節），分別為內部RAM（256字節）和內部擴展RAM（1024字節），該單片機最高可工作在35 MHz時鐘，具有高速處理能力，能夠保證MP3文件的順播放。

1.3音頻解碼模塊

本設計利用STC12C5A60S2單片機［5-8］來實現MP3播放功能，由于這款單片機的速度和資源達不到解碼MP3文件的要求，所以只能依賴外部專用解碼芯片來實現MP3的播放。目前市場上常見的MP3解碼芯片有VS100X系列和STA01X系列，其中VS系列自帶DAC輸出，而且能解碼的格式也相對比較多；而STA系列要外加DAC用起來不方便，并且只能對MP3格式解碼。

經過比較分析，最終選擇荷蘭VLSI公司出品的VS1003作為解碼芯片，該芯片具有體積小、高性能、低功耗的DSP處理器核VS_DSP，串行的數據、控制輸入接口，4個通用I/O口，一個UART接口和為用戶代碼和數據準備5.5 kB的片上RAM，該芯片不僅可以支持MP3、WMA、WAV、MIDI等格式的音頻解碼，自帶立體聲數/模轉換器，而且還可以調節音量、高低音等，更重要的是這款芯片還具有麥克錄音功能，這樣更方便我們以后進行功能擴展。

2　軟件設計

單片機與VS1003解碼芯片之間進行控制信息和音頻數據的傳輸是依靠SPI同步串行傳輸來完成的，VS1003芯片通過不同地址區分功能寄存器，向相應寄存器寫入值，以實現相應的功能。單片機將音頻數據寫入到VS1003芯片，需要依靠DREQ信號進行協調，若DREQ為低電平，VS1003解碼芯片不能接收數據；反之單片機可將音頻數據寫入解碼芯片。單片機驅動VS1003芯片流程圖見圖2所示。

圖2　單片機驅動VS1003芯片流程圖

本設計中單片機與VS1003芯片通過同步串行方式進行傳輸，根據傳輸內容不同，將通信接口分為SCI和SDI。控制信息通過SCI寫入功能寄存器，而音頻數據則通過SDI送入VS1003芯片進行解碼。SCI與SDI分別由XCS和XDCS進行區分，當單片機向VS1003芯片寫入控制信息時，將XCS置低電平選中命令片選，同時XDCS置為高電平；當單片機要向解碼芯片寫入音頻數據時，則將數據片選XDCS置為低電平，命令片選XCS置高電平。

如果要向VS1003芯片功能寄存器中讀取數據，須按照讀命令工作時序（見圖3）進行操作。首先將VS_XCS=0以選擇芯片，再通過SPI_WriteByte（）函數傳送0x03讀操作碼和8位地址。當VS1003芯片讀入8位地址，SI上的數據將被忽略，相應地址的兩個字節數據將全部從SO線移出，并將VS_XCS=1片選置為高電平。

圖3　讀命令工作時序

而如果要向VS1003芯片功能寄存器中寫入數據時，則須按照寫命令工作時序（見圖4）進行操作。即先將VS_XCS=0選擇芯片，再通過SPI_WriteByte（）函數傳送0x02寫操作碼和8位地址，然后傳送兩個字節的數據。當數據全被移入且最后的時鐘已發送，須將VS_XCS=1恢復為高電平完成寫操作。

圖4　寫命令工作時序

3　系統調試過程及問題分析

3.1系統調試過程

1）把所設計的PCB文件外發打樣并將所有電子元器件和集成芯片進行焊接；

2）利用萬用表對各個模塊電路進行檢測；

3）將所編寫的程序代碼燒寫到單片機中，檢測MCU模塊是否正常工作；

4）對VS1003解碼芯片進行正弦測試，通過功放設備聽到頻率不斷上升的聲音，用以檢測音頻解碼模塊正常；

5）通過串口調試助手將檢測信息反饋在電腦顯示器上以確保U盤讀取模塊是否正常運行；

6）所有模塊測試完畢，接通電源線并按下播放鍵，就可以從音響中聽到流暢的音樂。圖5為硬件設計調試圖。

圖5　硬件設計調試圖

3.2軟件調試及問題分析

本設計在Keil μVision4開發環境完成軟件編程，將各個模塊程序寫成.c文件，這樣能夠方便對程序的移植和修改。圖6為工程中的文件。

圖6　工程中的文件

1）為了檢測VS1003解碼芯片是否能正常工作，通過編寫VS_sin_test（）正弦測試函數進行驗證，測試是否可以聽到頻率不斷升高的聲音。

2）在調試過程中，本設計通過串口與計算機進行通信，當U盤插入并播放時，串口助手并不能正常顯示所接收的信息，出現亂碼現象。最后將波特率值設置為4800后，其信息在串口助手中顯示正常。

3）由于單片機對U盤進行讀寫操作涉及到文件系統，其文件系統工作量大而復雜，在本設計中采用移植znFAT文件系統實現單片機對U盤存儲模塊的讀寫。

4　結論

本文主要介紹了以51單片機做為控制核心，讀取U盤中的音頻文件并通過VS1003進行解碼播放。通過實驗了解了FAT32文件系統的移植以及掌握了音頻解碼芯片和CH375芯片的驅動過程，在調試過程中針對出現的問題進行分析與改進，以達到更好的效果。由于時間與自身知識儲備量的關系，雖然基本已達到最初設計的要求，但對本設計將來依然可以進行模塊的擴展，比如增加MIC錄音，歌詞顯示等功能，或者由藍牙模塊將音頻文件發送到本設計中進行解碼播放。通過本課題的研究，可以提升我們的綜合能力，這對科技的創新具有非常重要的意義。

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［6］康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎（模擬部分）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

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［8］孟濤，王福虎.單片機U盤控制器的設計與實現［J］.船舶防化，2010，6（7）：20-24.

Design of MP3 player based on 51 MCU

HE Bing1，2
（1.Department of Physics and Electronic Engineering，Wei Nan Normal University，Wei nan 714099，China；2.Center of X Ray Detection and Application of ShaanXi，Wei nan 714099，China）

This design uses STC12C5A60S2 MCU as the core of the MP3 player，U disk as a data storage medium，by writing the program code to transfer the U dish in the audio file to STC12C5A60S2 MCU；Then the VS1003 decoding chip to decode MP3 file；Finally converts digital signals into analog signals by the amplifier output.The functions implemented can be achieved"Prev"，"Next"，"Play"and other operations on the player through the key.The design by the hardware and software testing，not only to achieve recognition of U disk，can also play MP3，WMA，WAV and other audio files，with play smooth，easy operation and low power consumption.

MCU；MP3 player；VS1003 audio decode；U dish

TN29

A

1674－6236（2016）06-0142-03

2015-05-07稿件編號：201505063

陜西省教育廳科研計劃項目（14JK1248）；渭南師范學院第二批特色學科建設項目（14TSXK06）；渭南師范學院育苗項目（14YKP020）；渭南師范學院科研計劃項目（15YKS010）

何 冰（1982—），男，陜西合陽人，碩士，講師。研究方向：智能圖像數據處理、信息安全。