基于单片机的MP3播放器设计

0 引言
    随着电子技术的发展，MP3播放器是目前市场上流行的消费类数码产品之一，具有大容童、高音质、小巧便携等特点．而倍受广大消费者的青睐。本文采用ETC公司的微控制器STC89C58RD+，结合解码芯片VS1003、USB接口芯片CH375、LCD等外围设备设计并实现了MP3播放器。主要功能有：播放VS1003支持的所有音频文件，包括MP3，WMA，WAV文件，且音质非常好，具有按键控制播放上一首／下一首、音量增减等，可通过LCD显示歌曲名字和播放状态信息等功能。

1 硬件系统设计
    系统工作原理框图如图1所示。系统启动后，单片机通过USB接口芯片CH375，从U盘中获取MP3格式文件的数据，并存入片内RAM进行缓冲，然后单片机定时将数据从缓冲区送到MP3音频解码芯片VS1003，实现解码并输出音频信号到耳机或者有源音响输出。用户可以通过键盘实现“启动”、“上一曲”、“下一曲”、“音量控制”及“停止”等功能，并将播放状态信息通过LCD显示。系统框图如图1所示。

1．1 单片机读取MP3数据模块
    数据读取模块包括单片机控制器，USB串行数据转换成8位并行数据CH375芯片和MP3格式数据存储U盘3部分。
1．1．1 单片机控制器
    采用宏晶公司的STC89C58RD+单片机，该单片机最高可工作于33 MHz时钟，具有32 KB的FLASH，1 KB的内部RAM，引脚与指令系统均与51单片机兼容。本设计中，单片机工作在30 MHz的系统时钟下，能满足系统对数据带宽的要求。
1．1．2 USB接口芯片CH375
    CH375是一个USB总线通用接口电路，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。CH375内部集成了PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串型接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP等控制器的系统总线上，并内置海量存储固件。CH375的USB主机方式支持各种常用的USB全速设备，外部单片机、DSP、MCU可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通信，支持常用的12 Mb／s全速USB设备。
1．1．3 工作原理
    利用单片机实现将U盘中的音频数据经CH375的USB转串行接口传送至单片机内部RAM缓冲，以等待解码。其中CH375是一款USB总线的通用接口芯片，可以方便地挂接到单片机的控制总线上，同时CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB通信协议与USB设备通信。
    由于CH375内置了USB通信协议，省去了对USB通信协议的了解，单片机可以直接调用API库读写U盘中的文件数据，硬件上只需在51单片机系统中增加一个CH375芯片，综合成本较低。CH375支持全速的USB-HOST主机接口，外围元器件只需要少量晶体和电容，便可支持5 V电源电压和3．3 V电源电压，CH375芯片还支持低功耗模式，正常工作时，需要外部为它提供12 MHz的时钟信号。电路原理如图2所示。

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1．2 音频解码模块
    音频解码模块包括2大部分单片机控制器和专用MP3音频解码芯片VS1003。
1．2．1 音频解码芯片VS1003
    VS1003是一个单片MP3／WMA／MIDI音频解码器和ADPCM编程器。它包含一个高性能、自主产权的低功耗DSP处理器核VS_DSP，并提供5KB的指令RAM和0．5 KB的数据RAM。产生MIDI／SP-MIDI文件，内含高性能片上立体声数／模转换器，两声道，无相位差，在播放音频文件时不需要外加驱动电路，VS1003内部自带耳机功放，只要调试好电路系统，接入耳机就可以听到美妙的音乐。同时，VS1003为用户提供5．5 KB的片上RAM，并支持SPI串行通信的控制数据接口。
1．2．2 工作原理
    系统上电启动后，由单片机控制将存储于U盘中歌曲的MP3数据格式流信息通过CH375USB接口芯片送入到VS1003芯片中，通过VS1003芯片解码及其内含高质量的立体声DAC和耳机驱动电路，实现MP3歌曲的播放，在按键的控制下，可实现对歌曲的选择、音量增减等功能。VS1003的所有数据和控制命令均通过SPI总线接口实现，由于设计中所采用的单片机没有SPI接口，因此，在设计中采用单片机的3个I／O口来模拟SPI时序，以达到实现SPI通信功能。电路如图3所示。

1．3 键盘及显示模块
    键盘采用的是独立按键，与单片机P30～P34相连接，实现“开始”、“下一曲”、“上一曲”、“音量+”和“音量-”等5个功能。播放的状态由Nokia5110液晶显示，该液晶为84×48点阵的LCD，可以显示4行汉字，并支持串行通信协议，传输速率高达4 Mb／s，可全速写入显示数据，方便地与单片机进行通信。该液晶外部信号线仅有9条，节约本来就紧张的I／O口，其串行通信模式下的控制时序如图4所示。

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1．4 电源模块
    系统采用的是5 V直流电源供电，并通过5 V转3．3 V的SPX1117-3．3 V芯片给单片机，VS1003解码器和USB专用芯片CH375模块供电，其电源电路原理如图5所示。

2 软件系统设计
    本系统单片机的软件设计采用C51语言编写，源程序共分3个部分，即：单片机驱动CH375程序，单片机控制VS1003实现音频解码程序，按键和显示驱动程序。在编写CH375模块部分的程序时，用到了从南京沁恒公司官方网站下载的CH375的API函数库“CH375HF4．LIB”文件，简化了程序设计。因为单片机的硬件资源十分有限，在硬件调试过程中，出现在传送频率较高的歌曲时，由于采样频率低，带宽不够，而造成声音失真。所以在系统的开发过程中，应优化程序，提高运行速度，保证播放歌曲的流畅，其软件流程如图6所示。

3 结语
    设计的MP3播放器采用51单片机加VS1003解码，并通过CH375USB专用芯片进行数据读取，这种组合方式相比于采用AVR或者MSP430系列的高端单片机，达到的播放效果也毫不逊色。系统的整个设计难点在于单片机如何高效的从U盘中读取数据，并以一定的时序将缓冲的数据传输给VS1003，实现解码。在此采用的方法一是提高系统的时钟；二是通过修改软件，精简程序，来加快了系统的传输速率，使播放音乐更加流畅。