AT89C51SND1C單片機的MP3播放器設計

徐陽，徐愛鈞

（1.長江大學 工程技術學院，荊州434023；2.長江大學 電子信息學院）

引 言

MP3作為高質量音樂壓縮標準，正在進入越來越多人的生活，給數字音頻工業帶來了強勁的沖擊。MP3使用此技術可以獲得較大的音樂壓縮比，還可以得到較高的音樂回放質量，比如將CD格式的音樂數據壓縮成MP3格式，音效相差無幾，文件大小至少可以壓縮12倍。

正是由于MP3音樂的較小數據量和近似完美的播放效果，使得以MP3為后綴的音樂文件在網絡上的傳輸得以實現。當前MP3播放器正朝著功能強大、外觀豐富、價格便宜的方向發展，這里提出一種基于AT89C51SND1C單片機的MP3播放器設計方案。

1 MP3編碼簡介

MP3是MPEG Layer III（第3層音頻編碼標準）的縮寫，圖1為MP3編碼器內部原理框圖。它是一種超級聲音文件的壓縮方法，其數字壓縮速率為每通道128 Kb/s。MPEG由音頻和視頻兩部分組成，可以分別進行壓縮。MPEG在音頻上壓縮分為MPEG Layer1、MPEG Layer2和MPEG Layer3，其中MP3具有最高的壓縮比12∶1。在一般沒有壓縮數據的情況下，音頻被數字化時，采樣頻率必須為實際聲音最高頻率的2倍以上。

圖1 MP3編碼器內部原理框圖

目前最好的CD音質中，聲音最高頻率是20 kHz，采樣頻率定為44.1 kHz，16位量化，要獲得CD音質立體聲，每秒鐘的數據量將超過1.4 Mb；而采用MP3壓縮，數據量可以縮小到1/12，音質卻沒有損失。如果再進一步壓縮數據量到1/24或者更多，依然可以維持相當好的音質，比起通過降低采樣頻率、縮短采樣深度的方法要好得多。

2 MP3播放器設計

對于便攜式MP3系統，主要考慮的是其體積小巧、低功耗、高容量、低價格。當前流行的 MP3播放器主要包括：單片機控制系統、大容量移動存儲設備、MP3解碼器、D/A轉換芯片、音頻放大電路、USB接口、LCD顯示和鍵盤電路等，其基本工作原理如圖2所示。通過USB接口把Flash存儲器上的MP3、WMA等格式的數字音樂文件送到單片機內部集成的解碼芯片進行解碼，這些音樂文件經解碼后成為數字信號，然后音頻DAC通過D/A轉換將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號，再通過功率放大器進行音頻放大，最后通過耳機輸出音樂。

圖2 MP3播放器的主要結構示意圖

本系統主要實現一個MP3播放器功能，由于涉及文件傳輸和存儲問題，所以附帶需要實現USB存儲器功能。整 個 系 統 由 AT89C51SND1C（MCU）、K9F2808U0A（Flash芯片）、電源部分、音頻部分、串行通信部分和人機接口部分組成。

MCU部分：控制整個系統，提供USB控制和MP3解碼功能。FLASH芯片：存放整個系統文件。電源部分：提供系統工作需要的電源，包括一個升壓和一個降壓部分。音頻部分：把數據流轉換為聲音信號。人機接口部分：包括按鍵和LED指示等。USB接口部分：通過PC的USB接口進行MP3文件的下載。

2.1 硬件設計

2.1.1 控制器部分

AT89C51SND1C是Atmel公司專門針對MP3設計需求研發的一款多媒體8位微處理器，使用通用的C51內核，集成了CPU和硬件解碼器，為MP3設計提供了一套方便的解決方案。該芯片的高度集成大大降低了系統的耗電和發熱，提高了系統的穩定性和速度，抗干擾能力也顯著增強。需要注意的是，由于在系統中有MP3和USB傳輸等高頻信號，為了避免噪聲對系統的影響，尤其是對音頻輸出信號的影響，所以在AT89C51SND1C的正負電源間需要加上一個RC濾波電路以消除電路中的噪聲。對于AVDD和UVDD的兩個模擬電壓和數字電源而言，兩者需要在數字地和模擬地處單點通過一個磁珠相連，以免數字電源和模擬電源之間相互影響。

2.1.2 音頻部分

音頻是整個系統中最為重要的一個部分，在把數字信號轉換為模擬信號的過程中容易產生噪聲，這個關系到MP3播放器聲音效果的好壞，本系統選擇的是CS4330芯片，CS4330能兼容48 KHz、44.1 KHz和32 KHz的音頻流。聲音數據通過串行輸入引腳SDATA輸入，左右輸入時鐘LRCK決定了左右聲道，而在串行輸入時鐘SCLK的驅動下數據被送入CS4330的數據緩存中，而主時鐘決定了數據濾波器的使用。

2.1.3 存儲部分

采用三星公司的NAND Flash K9F1208作為系統的數據存儲器，用來存儲本系統所需播放的音樂文件。主芯片AT89C51SND1C和Flash存儲器間的通信與讀取一般的存儲器RAM、EEPROM 等基本一致，不同的就是多了CLE和ALE這2個引腳，這是由Flash本身特點所決定的。主芯片通過讀取R/B這個引腳來判斷Flash讀寫是否完成，如果正在讀寫，那么這個引腳為低電平，表示正忙；如果讀寫完成，該引腳電平變高，處于READY（準備）狀態，等待下次操作。ALE和CLE這兩個信號均為上升沿有效，WP引腳為寫保護，用來在電源由于切換等造成不穩定的情況下防止數據丟失。

2.1.4 人機接口部分

人機接口部分主要提供一個人和系統進行信息交換的接口，包括鍵盤輸入、LED顯示以及串行口3個部分。鍵盤輸入提供給用戶選擇功能的能力、LED顯示系統現在的工作狀態，串行口可以方便開發過程中的調試，通過串口調試助手等工具，把系統運行的情況反饋到PC機的屏幕。

2.1.5 USB接口部分

一般通過PC的USB接口進行MP3文件的下載，傳輸速率為12 Mbps。由于Atmel公司生產的AT89C51SND1C芯片僅支持USB1.1技術規范，因此接口速度稍慢。但對于MP3播放來說，可以滿足需要。

2.2 軟件設計

MP3播放系統的軟件設計，按照模塊可以劃分為以下幾個部分：

◆Flash存儲部分：這是系統中的文件存儲系統，按照FAT文件格式對Flash芯片進行劃分，對芯片的操作必須按照FAT格式進行。

◆USB通信驅動：USB驅動通信主要包括如何按照Windows 7中對USB移動硬盤的描述編寫設備的固件程序，以便操作系統對MP3系統的操作。

◆MP3解碼控制：控制系統中間的MP3解碼器把從Flash中取出來的MP3壓縮數據流解碼成音頻數據流，提供給音頻解碼接口。

◆音頻解碼接口：和外圍的音頻驅動芯片接口，對音頻驅動芯片進行配置以及控制，把解碼后的數字信號轉化為模擬聲音并且驅動耳機。

◆其他部分：由提供人機接口的鍵盤掃描驅動、LED顯示驅動、數碼管驅動部分組成。

系統軟件結構框圖如圖3所示。

圖3 系統軟件結構框圖

2.3 MP3播放程序結構

在主程序時，如果處于播放狀態，則調用Play MP3函數播放歌曲，直至播放到最后一首，在Play MP3里面，MP3解碼器一旦開始工作以后，就會一直向CPU請求數據，直至歌曲結束。程序進入此函數以后，只有改變當前歌曲的鍵盤操作才能使此函數提前結束，進入下一首歌曲的播放。

MP3播放函數的工作分兩部分進行：第一部分是播放一首新的MP3歌曲時，要做一些初始化工作；第二部分則一直在等待中斷發生。第二部分與鍵盤結合，以實現MP3播放過程中的用戶操作。MP3播放程序結構框圖如圖4所示。

圖4 MP3播放程序結構框圖

2.4 人機接口程序結構

當執行MP3程序的時候，需要通過按鍵操作來控制MP3歌曲的播放，每個鍵對應一個鍵盤響應函數：

①Func：功能切換。

②Next：向后。

③Previous：向前。

④PlayPause：播放/暫停。

人機接口流程圖如圖5所示。

圖5 人機接口流程圖

結 語

本文提出基于AT89C51SND1C單片機的MP3播放器的設計方案，MP3為取得較好的壓縮效果而采用相對復雜的技術，寬帶音頻信號的取樣率也較高（一般為44.1 KHz以上），所以 MP3編解碼的運算量和數據量都相當龐大。MPEG Layer III解碼算法在AT89C51SND1C上驗證通過并獲得較好的效果，通過優化后可流暢播放音樂。此MP3播放器系統既有播放歌曲的功能又有U盤功能。兩種功能的轉換用USB接口檢測電路來控制：當MP3播放器上的USB設備插入PC機上的USB接口進行文件下載時，執行U盤功能；否則程序執行MP3功能。

[1]徐愛鈞.單片機原理實用教程-基于Proteus虛擬仿真[M].2版.北京：電子工業出版社，2011.

[2]徐愛鈞.單片機高級語言應用編程與實踐[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3]博創科技.MP3播放器與U盤設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]王宇炎，李明偉.基于C51單片機的MP3播放器設計[J].電子技術，2009（10）：29-30.

[5]黃勇堅，王亞麗.智能MP3播放控制系統的設計[J].電子技術，2006（10）：36-38.