采用STC89C58RD+單片機和VS1011E解碼芯片實現(xiàn)MP3播放器的設(shè)計

隨著人們對便攜式音樂播放器要求的提高，MP3播放器以其較小的體積和較好的音質(zhì)受到廣大音樂愛好者的青睞。起初，MP3文件由電腦來播放，后來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展促進了MP3播放器的產(chǎn)生，同時MP3播放器也發(fā)生了一系列的變化，其更加小巧精致，更人機化和情趣化。現(xiàn)在市場上MP3的款式越來越多，功能越來越豐富，但現(xiàn)有MP3播放器大多是將解碼器與存儲器一體化的。這種設(shè)計使MP3播放器方便攜帶，但也帶來了問題：一是存儲容量不易擴展；二是不利于MP3播放器在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。將播放器與存儲器分離是MP3播放器目前發(fā)展的一個方向[1-3].本系統(tǒng)采用STC89C58RD+單片機,結(jié)合USB接口芯片CH375、解碼芯片VS1011E、Nokia5110液晶等外圍設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)MP3播放器，該系統(tǒng)以USB-HOST方式讀取U盤的MP3文件并將其解碼播放，同時具備讀取音樂標簽，U盤電子書和貪吃蛇游戲等功能。

系統(tǒng)總體設(shè)計

MP3播放器是一種新興的數(shù)字音樂播放器，播放MP3、WMA等格式的文件。通過用MPEG-1 Layer 3編碼技術(shù)，可以得到大約12:1壓縮的有損音樂信號。盡管MP3文件是有損的，它在壓縮過程中對功率譜較弱的信號有所丟失，但它同CD原聲區(qū)別不大，不影響一般音樂愛好者對音樂的欣賞。MP3大大縮小了聲音文件的長度，使音樂的傳輸和存儲更方便。MP3播放器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)啟動后，STC89C58RD+單片機 通過USB接口芯片CH375,從U盤中獲取MP3格式文件的數(shù)據(jù)，并存入片內(nèi)RAM進行緩沖，然后單片機定時將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)送到MP3音頻解碼芯片VS1011E,實現(xiàn)解碼并輸出音頻信號到耳機或有源音響。用戶可以通過鍵盤實現(xiàn)“啟動”、“停止”、“上一曲”、“下一曲”和“音量控制”等功能，并通過Nokia5110液晶顯示播放狀態(tài)信息。系統(tǒng)在硬件上主要包括數(shù)據(jù)讀取模塊、音頻解碼模塊和液晶顯示模塊等。

系統(tǒng)硬件模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)讀取模塊

單片機讀取MP3數(shù)據(jù)模塊包括STC89C58RD+單片機、USB接口芯片CH375和MP3格式數(shù)據(jù)存儲U盤三部分。

STC89C58RD+單片機

系統(tǒng)采用STC89C58RD+單片機，該單片機是美國STC公司設(shè)計，國內(nèi)宏晶公司生產(chǎn)的新一代51增強型單片機，引腳和指令系統(tǒng)均與51單片機兼容。它具有加密性強、超強抗干擾、超低功耗、在系統(tǒng)可編程、內(nèi)含MAX810專用復位電路等特點[4].

該單片機采用MCS51內(nèi)核，其內(nèi)含32KB的FLASH和16KB的EEPROM,同時內(nèi)含1KB的內(nèi)部SRAM存儲空間。因而可用于音頻數(shù)據(jù)處理和顯示數(shù)據(jù)處理需要進行較大數(shù)據(jù)緩沖的情況下。該單片機最高可工作于33MHz時鐘，本系統(tǒng)中，它工作在30MHz時鐘下，能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)帶寬的要求。

CH375接口芯片

CH375是一種通用USB總線接口芯片，其內(nèi)部集成PLL倍頻器、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、主從USB接口SIE、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器和通用的固件程序等[5].它有USB-HOST和USB-SLAVE兩種方式，其中USB-HOST方式支持各種常用的USB全速設(shè)備，外部單片機、MCU、DSP可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信，這是由于在本地端，CH375具有讀、寫、片選控制線以及中斷輸出四條控制總線和八位數(shù)據(jù)總線，可以方便地掛接到單片機等控制器的系統(tǒng)總線上。CH375芯片內(nèi)部各部分的功用如下：①PLL倍頻器用于將外部輸入的12MHz時鐘倍頻到48MHz,作為USB接口SIE時鐘。②數(shù)據(jù)緩沖區(qū)用于緩沖USB接口SIE收發(fā)的數(shù)據(jù)。③主從USB接口SIE用于完成物理的USB數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。④被動并行接口與異步串行接口用于與外部單片機交換數(shù)據(jù)。⑤URT串行接口用于代替并行接口與外部單片機交換數(shù)據(jù)。⑥命令解釋器用于分析并執(zhí)行外部單片機提交的各種命令。⑦控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器用于自動處理常用的控制傳輸?shù)亩鄠€階段，簡化外部固件的編程，降低了開發(fā)難度。⑧通用的固件程序?qū)崿F(xiàn)USB傳輸?shù)南嚓P(guān)協(xié)議。

數(shù)據(jù)讀取原理

數(shù)據(jù)讀取電路如圖2所示。系統(tǒng)利用單片機實現(xiàn)將U盤中的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)CH375的USB串行接口傳送至單片機內(nèi)部RAM緩沖，以等待解碼。硬件上只需在單片機系統(tǒng)中增加一個CH375芯片，綜合成本較低，這是由于CH375內(nèi)置了USB通信協(xié)議，省去了對USB通信協(xié)議的了解，單片機可以直接調(diào)用API庫讀寫U盤中的文件數(shù)據(jù)。CH375芯片工作時，需外部為它提供12MHz的時鐘信號，它支持全速的USB-HOST主機接口，外圍元器件只需要少量晶體和電容，便可支持5V和3.3V電源電壓。

VS1011E解碼芯片

系統(tǒng)采用VS1011E芯片對MP3音頻進行解碼。VS1011E音頻解碼芯片為VS10XX系列的第三代產(chǎn)品，是芬蘭VLSI Solution Oy公司生產(chǎn)的單片MP3/WMA/MIDI音頻解碼芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。它包含一個高性能、低功耗的DSP處理核（VSDSP），5KB的指令RAM,0.5KB的數(shù)據(jù)RAM,串行的控制和數(shù)據(jù)輸入接口，四個通用I/O口，一個UART口，一個可變采樣率的ADC,一個立體聲DAC以及音頻耳機放大器。芯片可工作于12.288~14MHz或24.576~28MHz時鐘下?？捎糜诮獯aMPEG1&2Layer1,2,3以及MPEG2.5Layer3格式、和WAV等格式文件[6].

VS1011E芯片工作流程

VS1011E芯片工作時，首先將MP3或WAV格式音頻文件通過SDI總線送入芯片內(nèi)部并解碼。解碼后，如果SCL_AIADDR!=0,則執(zhí)行應(yīng)用區(qū)代碼（代碼地址由相應(yīng)的地址寄存器提供），然后再按照SCL_BASS寄存器（SB_AMPLITUDE位和ST_AMPLITUDE位）的設(shè)置，將數(shù)據(jù)送到低音和高音優(yōu)化器進行音效處理，之后再將數(shù)據(jù)通過音量控制單元備份到音頻FIFO中。音頻FIFO用于保持數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)作為采樣率轉(zhuǎn)換器和DAC的輸入。采樣率轉(zhuǎn)換器可將所有不同采樣率轉(zhuǎn)換成CLKI/512信號送給DAC,再由DAC按位依次產(chǎn)生立體聲模擬信號，然后由系統(tǒng)將這些信號送到耳機功放。VS1011E的工作流程如圖4所示。

實現(xiàn)VS1011E芯片控制協(xié)議

VS1011E芯片與主機進行數(shù)據(jù)和控制信息的通信需要利用工作于從模式的SPI串行總線，通過串行數(shù)據(jù)接口（SDI）傳送音頻數(shù)據(jù)，通過串行控制接口（SCI）傳送控制數(shù)據(jù)。VS1011E的SPI接口具有VS1002新模式（SM_SDINEW=1）和VS1001兼容模式（SM_SDINEW=0）兩種工作模式。當SM_SDISHARED=1時，數(shù)據(jù)信號和控制信號的傳送共用xCS作同步信號；SM_SDISHARED=0時，則分別采用xDCS和xCS為同步信號。作為從機工作模式，VS1011E可通過一個信號線DREQ指示是否允許主機傳送數(shù)據(jù)。當DREQ為高時，VS1011E至少可以接收32KB的SDI數(shù)據(jù)或SCI控制命令。下面以VS1002模式簡單分析SPI協(xié)議：

（1）SDI數(shù)據(jù)協(xié)議線

xDCS為同步控制線，低電平時激活，可輸入數(shù)據(jù)，高電平時結(jié)束當前操作，以使串行接口處于等待狀態(tài)，當SM_SDISHARED=1時，由xCS替換該引腳。SCK為時鐘線，由主控芯片提供時鐘。SI為數(shù)據(jù)輸入線，可在SCK上升沿采樣輸入SI數(shù)據(jù)。

（2）SCI控制命令線

xCS為同步控制線，低電平時激活，高電平結(jié)束當前操作，以使串口處于等待狀態(tài)，同時使SO輸出線為高阻態(tài)。SCK（復用）為時鐘線。SI（復用）為控制命令輸入，可在SCK上升沿采樣輸入SI數(shù)據(jù)，若xCS被拉低，則在SCK的第一個上升沿寫入數(shù)據(jù)線的第一個數(shù)據(jù)位。SO為數(shù)據(jù)輸出線，當主控制器讀VS1011E內(nèi)部控制寄存器狀態(tài)時，可在SCK下降沿輸出數(shù)據(jù)，如果當前為寫操作，MJH SO為高阻態(tài)。

VS1011E芯片與單片機的接口電路

VS1011E芯片與STC89C58RD+單片機的接口電路如圖5所示。系統(tǒng)啟動后，由單片機控制，通過CH375USB接口芯片將存儲于U盤中文件的MP3數(shù)據(jù)格式流信息送入到VS1011E芯片中，再通過VS1011E芯片解碼及其內(nèi)含高質(zhì)量的立體聲DAC和耳機驅(qū)動電路，實現(xiàn)MP3文件的播放。VS1011E的所有控制命令和數(shù)據(jù)均通過SPI總線接口實現(xiàn)，而STC89C58RD+單片機沒有SPI接口，因此，為了達到實現(xiàn)SPI通信功能，采用該單片機的3個I/O口模擬SPI時序。

液晶顯示模塊

系統(tǒng)采用Nokia5110液晶顯示播放狀態(tài)，該液晶為84×48點陣的LCD,可顯示四行漢字，并支持串行通信協(xié)議，如圖6所示為其串行通信模式下的控制時序。其傳輸速率高達4Mb/s,可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，方便與單片機進行通信。該液晶外部只有九條信號線，節(jié)約了I/O口。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖7為MP3播放器的軟件流程。采用C51語言對本系統(tǒng)單片機的軟件設(shè)計進行編寫，源程序共分單片機驅(qū)動CH375程序、單片機控制VS1011E實現(xiàn)音頻解碼程序及按鍵與顯示驅(qū)動程序三個部分。為了簡化程序設(shè)計，采用從官方網(wǎng)站下載CH375的API函數(shù)庫“CH375HF4.LIB”文件對CH375模塊部分程序進行編寫。由于單片機的硬件資源比較有限，在硬件調(diào)試過程中，當出現(xiàn)傳送頻率較高的MP3文件時可能會造成聲音失真，因此為了保證MP3文件播放流暢，在系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)優(yōu)化程序。

系統(tǒng)啟動后，先進行初始化，然后等待U盤插入，再通過CH375芯片將U盤中的MP3文件傳送至單片機內(nèi)部RAM緩沖。單片機是通過SPI總線方式讀出音頻信息的，并將MP3的碼流信息送入到VS1011E芯片中，通過VS1011E芯片及其內(nèi)含的高質(zhì)量立體聲DAC和耳機驅(qū)動電路，實現(xiàn)MP3文件的播放功能。在按鍵的控制下，通過Nokia5110中菜單選項的選擇，實現(xiàn)對MP3文件選擇及音量控制等功能；播放時，顯示在Nokia5110上的信息包括MP3文件名稱、播放進度和音量等。經(jīng)過運行測試，該系統(tǒng)可正常流暢地播放出320kb/s的高音質(zhì)MP3文件，而且其功耗比較低，使用500mA鋰電池可連續(xù)正常播放十小時。