基于AVR單片機的U盤MP3設(shè)計方案

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，MP3播放器正朝著大容量和小型化方向發(fā)展。然而，播放器和存儲器的集成設(shè)計使得MP3難以擴展其容量以容納更多歌曲。將播放器與內(nèi)存分離是MP3發(fā)展的另一個方向。介紹了一種利用AVR控制以HOSTUSB對U盤音樂文件進行讀取和解碼的解決方案。該方案還具有讀取音樂標簽、U盤電子書，貪吃蛇游戲等功能，具有商業(yè)價值。

1系統(tǒng)功能簡介

本設(shè)計主要完成對存儲在U盤中的音樂及文本等信息的讀取操作，能夠完成U盤內(nèi)MP3音樂數(shù)據(jù)的播放及標簽信息的顯示，實現(xiàn)播放器與存儲器分離，并在此基礎(chǔ)上完成電子書，貪吃蛇游戲等功能。

2系統(tǒng)芯片選擇

本設(shè)計MCU選擇ATMEL公司的ATmega64作為主控芯片。ATmega64是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有先進的RISC結(jié)構(gòu)。64K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2K字節(jié)EEPROM，4K字節(jié)片內(nèi)SRAM，64個引腳，53個可編程I/O口，具有可工作于主機/從機模式的SPI串行接口音頻解碼芯片選擇芬蘭VLSI公司生產(chǎn)的VS1003。VS1003是一款具有MP3/WMA/MIDI音頻解碼及ADPCM編碼功能的芯片，它包含一個高性能，低功耗的DSP內(nèi)核VS_DSP，工作數(shù)據(jù)存儲器，為用戶應(yīng)用提供5KB的指令RAM和0.5KB的數(shù)據(jù)RAM。一個串行的控制和數(shù)據(jù)接口，4個通用I/O口，一個UART，一個高質(zhì)量可變采樣率的ADC和立體聲DAC，一個耳機放大器和地線緩沖器。

USB通信芯片選擇CH375，CH375是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-host主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及終端輸出，可以方便地掛接到單片機等控制其的系統(tǒng)總線上。內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。支持低功耗模式。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1MP3解碼芯片與ATmega64的硬件連接

VS1003使用同步串行總線SPI通信，ATmega64內(nèi)部集成有SPI總線控制器，故將SCLK，MOSO，MOSI直接與MCU的SPI控制引腳相連接即可。另外將XCS，XRES，DREQ，XDCS分別于PB4~PB7相連接，即可完成對解碼芯片的控制。

3.2CH375與ATmega64的硬件連接

本設(shè)計中，CH375工作在HOST模式下，八位雙向數(shù)據(jù)總線D0~D7分別于MCU的PD0~PD7相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與命令的并行傳輸。A0，RD，WR，INT，CS分別于PC3~PC7相連接。這種連接可以很方便的將CH375掛接到各種MCU系統(tǒng)總線上。

3.3彩屏與ATmega64的硬件連接

彩屏與MCU實現(xiàn)并口數(shù)據(jù)命令傳輸，將其16位數(shù)據(jù)命令口與MCU的PA0~PA7以及PE0~PE7相連接，另外將彩屏的片選CS，數(shù)據(jù)命令選通RS，寫選通WR，讀選通RD，及復(fù)位RST分別于MCU的PG0~PG4相連接。

系統(tǒng)啟動后，在ATmega64的控制下，首先將數(shù)據(jù)從U盤中取出，如果是音頻數(shù)據(jù)，則直接送入VS1003進行解碼，VS1003將接收到的數(shù)據(jù)解碼后轉(zhuǎn)換為模擬音頻后，通過功率放大器輸出。若收到的是文本數(shù)據(jù)，則進行字符格式轉(zhuǎn)換，并在液晶屏上顯示出來。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要分為VS1003的驅(qū)動程序，CH375的驅(qū)動程序，彩屏的驅(qū)動程序以及整體的整合。（分別為：vs1003、cch375、cTFT_ili9320。cmp3_play。c）

4.1FAT文件系統(tǒng)管理

一個FAT文件系統(tǒng)包括四個不同的部分。保留扇區(qū)，F(xiàn)AT區(qū)，根目錄區(qū)，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(dǎo)扇區(qū)”，因為它含有對文件系統(tǒng)進行識別的關(guān)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)包含有兩份文件分配表，這是出于系統(tǒng)冗余考慮，盡管它很少使用，即使是磁盤修復(fù)工具也很少使用它。它是分區(qū)信息的映射表，指示簇是如何存儲的。根目錄區(qū)是在根目錄中存儲文件和目錄信息的目錄表。在FAT32下它可以存在分區(qū)中的任何位置，但是在早期的版本中它永遠緊隨FAT區(qū)域之后。數(shù)據(jù)區(qū)是實際的文件和目錄數(shù)據(jù)存儲的區(qū)域，它占據(jù)了分區(qū)的絕大部分。

4.2U盤的讀取

由于CH375內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，因此讀取U盤可以通過控制CH375的寄存器來進行U盤的讀取。CH375以C語言子程序庫提供了USB存儲設(shè)備的文件級接口，這些應(yīng)用層接口API包含了常用的文件級操作，可以移植并嵌入到常用的單片機程序中。CH375的U盤文件級子程序庫具有以下特性：支持常用文件系統(tǒng)，支持多級子目錄，可以支持小寫字母或者長文件名，支持文件打開、新建、刪除、讀寫以及搜索等。CH375的文件級子程序庫需要大約600Byte的隨機存儲器RAM作為緩沖區(qū)。文件級子程序庫的所有API在調(diào)用后都有操作狀態(tài)返回，但不一定有應(yīng)答數(shù)據(jù)。主要子程序如下：

（1）初始化CH375芯片：CH375Init;（2）打開文件：CH375Fileopen;（3）枚舉或者搜索文件：CH375FileEnumer;（4）關(guān)閉文件：CH375FileClose;（5）以扇區(qū)為單位從文件讀數(shù)據(jù)：CH375FileReadX;（6）以扇區(qū)為單位向文件寫數(shù)據(jù)：CH375FilewriteX。

4.3VS1003的讀寫控制

VS1003的寄存器用下列順序讀出，如圖一。首先將XCS片選拉低以選擇芯片，再通過SI線發(fā)送8位的讀操作碼（0x03）和8位的地址。在地址被VS1003芯片讀入后，SI上的數(shù)據(jù)將被忽略。相應(yīng)地址的16位數(shù)據(jù)將從SO線移出。當數(shù)據(jù)全被移出后XCS需拉高。

VS1003的寄存器須按以下的順序?qū)懭?，如圖二。首先將XCS片選拉低，再通過SI線發(fā)送8位的讀操作碼（0x02）和8位的地址。隨即發(fā)送16位的數(shù)據(jù)字。當最后一位被移入且最后的時鐘已發(fā)送，必須將XCS拉高以完成寫操作。

4.4MP3的播放

當執(zhí)行音樂播放程序時，ATmega64芯片首先從U盤中預(yù)取標簽信息，經(jīng)過分析，由Unicode到GBK編碼的轉(zhuǎn)換，再取字模，最終在LCD上顯示;之后開始取音樂文件的數(shù)據(jù)，送到VS1003芯片，VS1003開始解碼并在音頻接口發(fā)出音頻信號。當按下暫停鍵時，暫停取數(shù)據(jù)，上一曲、下一曲時跳出取數(shù)據(jù)循環(huán)。

4.5其他軟件設(shè)計

1.音樂標簽的軟件設(shè)計。本系統(tǒng)可以讀取的音樂的標簽有ID3V1、ID3V2，當要區(qū)分這兩個標簽時可以用程序讀取音樂文件的開頭和結(jié)尾，利用其標志符“ID3”、“TAG”來區(qū)分其具有哪一個標簽。但是標簽中的文字編碼也包括UNICODE、GBK，具體的區(qū)分也要查找相關(guān)的標志符。

2.文檔閱讀的軟件設(shè)計。GBK的編碼中會帶有ASC碼，而GBK碼占兩個字節(jié)，ASC碼占一個字節(jié)，如果在取文件過程中恰好取到GBK碼的每二個字節(jié)，那么以后的內(nèi)容在LCD上的顯示將全部為亂碼，特別是在向上翻頁的時候（文檔內(nèi)容在LCD上的顯示還要判斷回車以及其它字符，這樣就會造成每一頁具體讀了多少字節(jié)，顯示了多少字節(jié)都不一樣）。最終解決辦法是用一個數(shù)組記錄每一次翻頁共顯示了多少字節(jié)（不是讀取了多少字節(jié)）。

3.在TFT上顯示字符和漢字。對于TFT液晶，沒有具體的字模存儲在控制芯片中，只能是整體系統(tǒng)的存儲。而且漢字的Unicode和GBK編碼并不相同。筆者把具體的字庫存儲在了要讀取的優(yōu)盤根目錄下（對應(yīng)的字模文件是ST16.BINKT16.BIN）。對于Unicode到GBK的轉(zhuǎn)換，筆者把轉(zhuǎn)換文件也存儲在了優(yōu)盤的根目錄下面（對應(yīng)文件是UNITOGBK.SYS）。

5結(jié)束語

經(jīng)測試，該設(shè)計可以讀取和播放U盤中的MP3文件，音質(zhì)清晰，無延遲和跳幀。能夠讀取U盤中的TXT文件，實現(xiàn)電子書功能。內(nèi)置的貪吃蛇游戲也可以順利實現(xiàn)。由于播放器和存儲器的分離，存儲空間不受限制，自由度大，比普通MP3播放器更具優(yōu)勢。