基于智能接口的音频系统设计

随着现代电子技术的发展，接口技术的发展也越来越迅猛，而USB接口正是在这样的背景下发展并壮大起来的。在传统的硬件体系结构中，接口被看作是相应外部设备的一部分，每个接口一般都只能连接到同一种设备上。虽然通过所谓“菊花链”(daisyohain)方式可以把若干同种设备连接到同一接口上，却不能将不同种类的设备混合连接到同一接口上，由于目前USB接口的设备越来越丰富，种类越来越多，为了满足这样的需求，这里给出一种USB 2.0接口的解决方案，通过USB接口读取各种USB设备；通过SD卡接口，读取各种主流存储卡。该方案支持常用的USB存储设备(包括U盘／USB硬盘／USB闪存盘／USB读卡器)和SD卡(包括标准容量SD卡和高容量HC-SD卡以及协议兼容的MMC卡和TF卡)。本文提出了一种智能多接口的全硬件音频系统的解决方案，使音频系统的扩展性进一步增强，原则上来说可以连接目前大多数主流存储设备，实现了一台设备多种用途的扩展。能够进一步把现有资源的利用率提高，具有一定的经济和社会效益，并且采用全硬件解码和单片机降频工作等功耗控制方式，使整个系统的功耗降低至传统类似设备的50％左右，符合我国节能环保的主题。

l硬件系统设计

1.1  芯片概述

ATmega128是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑运算单元(ALU)相连接，使得1条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

CH376S是文件管理控制芯片，用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件。CH376S支持USB设备方式和USB主机方式，并且内置了USB通信协议的基本固件，处理Mass-Storage海量存储设备的专用通信协议的固件；SD卡的通讯接口固件和FAT16，FAT32以及FAT12文件系统的管理固件支持常用的USB存储设备和SD卡。

VS1053B是1个单芯片Ogg Vorbis／MP3／AAC／WMA／MIDI音频解码器和IMA ADPCM／user-loadable Ogg Vorbis音频编码器，支持CD级的音频回放和录制，芯片内部包含1个高性能、低功耗的DSP处理器内核VS_DSP，内含16 KB的指令RAM和0.5 KB的数据RAM。VS1053B内部有1个串行控制和数据输入／输出接口、8个GPIO接口、高性能可变采样率的DAC和ADC、立体声音频输入接口和立体声音频输出接口。PL2303用于实现USB与标准RS 232串行端口之间的转换，2个独立的大型缓冲用于2种总线的连接，大型数据缓冲器用于USB的批量数据传输，自动握手模式可用于串行通信，因而可以达到远大于标准UART控制器的波特率。PL2303支持USB电源管理和远程唤醒协议。该设计中，PL2303芯片主要应用在将主控单元的下载线与供电模块合二为一，大大简化了系统的设计复杂度，NOKIA 5110液晶显示器为传统的点阵式液晶显示器，不内置英文及汉字字库，因此在NOKIA 5110液晶显示的过程中，需要单片机把从存储器中读取到的ASCII码值转换成对应的英文及汉字点阵信息，然后通过串口把点阵信息传输到液晶显示器中进行显示。

1.2  硬件设计框图

该硬件系统主要由主控模块、智能扩展接口、音频编解码模块、液晶显示模块、键盘LED指示模块、JTAG／ISP／RS 232下载接口构成，逻辑连接图如图1所示。


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1.3  接口设计方案

1.3.1  VS1053B及键盘和液晶显示接口设计

KEY1～KEY7为系统的键盘控制单元对应功能如表1所示。LED1～LED7对应按键指示灯，如按键KEY1被按下。则LED1灯亮。外围接口如图2所示。



1.3.2 USB主控设备接口设计

USB主控设备的接口设计如图3所示。

系统软件设计主要包括主程序、中断控制子程序、键盘扫描子程序、LCD控制子程序、外围模块控制程序。主程序运行流程如图4所示，软件系统流程图如图5所示。  

2软件系统设计

整个设计运行如图6、图7所示。