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播放器與存儲器的一體化設計對MP3播放器的便攜性起了關鍵性的作用，但與此同時，它又帶來了很多新的問題。比如存儲容量固定，如果想裝下更多的歌曲只能去購買新的產品，造成了巨大的浪費。另一方面，一體化又限制了MP3播放器在其它領域的應用，比如汽車電子等。于是，將存儲器與播放器分離，成為MP3的另一發展方向，也是開發這款U盤MP3播放器的意義所在。 主要芯片簡介 AT89C51SND1是ATMEL推出的基于8位C51 MCU內核的MP3解碼器芯片。它內置MP3硬件解碼器，支持48kHz、44.1kHz、32kHz、24kHz、22.05kHz及16kHz采樣頻率，具有重低音、中音、高音均衡控制和重低環繞聲效果。它可以適應市場上不同DAC的可編程音頻輸出接口，兼容PCM和I2S格式。內置2304B RAM和64KB Flash程序空間，方便用戶增加復雜的功能。并通過內置鎖相環提供MP3和音頻時鐘以及USB時鐘。 要想讀取U盤，USB主機控制器必不可少。為了將來進一步升級系統，本文選用了功能強大的USB－OTG芯片ISP1362。ISP1362在單芯片上集成了OTG控制器、高級主機控制器和外設控制器。ISP1362的OTG控制器完全兼容USB2.0以及On-The-Go Supplement 1. 0協議，主機和設備控制器兼容USB 2. 0協議，并支持12Mbps的全速傳輸和1.5Mbps的低速傳輸。 圖1 系統框架圖 系統硬件結構 整個系統的搭建圍繞AT89C51SND1進行，如圖1所示。由于其內部具有硬件解碼器，因此電路構成并不復雜。首先由單片機控制ISP1362，將U盤中的MP3文件讀取出來，送到硬件解碼器進行解碼。解碼之后由數字音頻接口將數字信號傳送至音頻DAC CS4330，轉換之后產生音頻信號。由于DAC輸出的信號功率有限，在后端又加入了運算放大器，經過放大之后的信號就可以直接輸出給音箱或耳機等設備了。 AT89C51SND1是基于51內核的單片機，因此，最小系統結構非常簡單。除了傳統單片機的晶振和復位電路之外，還有PLL濾波電路和USB接口電路，如圖2所示。 圖2 PLL濾波電路及USB接口電路 ISP1362是16位總線結構，不能直接和8位單片機接口。因此，將單片機的P0和P2口一同作為數據總線接至ISP1362的16位總線上，將 、、分別接到單片機的P3.4、P3.7和P3.6，通過仿真讀寫時序控制它的數據讀取等操作。 除了這些基本的總線連接，ISP1362還需要連接一些特殊的控制引腳： A0：用于決定控制器處于命令狀態還是數據狀態：0表示數據狀態，1表示命令狀態； A1：用于決定控制器工作于主機還是設備控制模式：0表示處于主機控制(HC) 模式；1表示處于設備控制(DC) 模式。 接至MCU的P1.5。P1.5＝0時表示處于OTG工作狀態，P1.5＝1則表示處于非OTG狀態。 INT1_USB、INT2_USB分別接至MCU的INT0和INT1引腳，用以產生中斷。 ISP1362有兩個USB端口，分別是OTG端口和主機端口。因為OTG端口包含了主機功能，所以系統中使用OTG端口來連接U盤。根據USB2.0協議，USB主機需要2個15k降TG端口同時又可作為設備端口使用，而設備是沒有下拉電阻的。因此ISP1362提供了“軟連接”機制，通過內部的寄存器來控制電阻的連接與否。所以在硬件設計時并不需要在外部加下拉電阻。而 為開漏輸出，因此加入了一個10kW的上拉電阻R14_USB。如圖3所示。 圖3 OTG端口電路圖 AT89C51SND1C及ISP1362的初始化 在開始播放MP3文件之前，需要一系列初始化操作。這些操作是通過設置AT89C51SND1C及ISP1362內部的相關寄存器來完成的。 AT89C51SND1C的初始化 為了正常播放MP3文件，首先要對主控制器AT89C51SND1C進行以下幾方面的設置。 鎖相環初始化 MP3解碼器和音頻輸出接口使用的都是內部鎖相環提供的時鐘。鎖相環的初始化是通過設置PLLCON、PLLNDIV和PLLNDIV來完成的。其輸出頻率的計算公式為：PLLclk=OSCclk×(R+1)/(N+1)。 MP3解碼器初始化 MP3解碼器的初始化需要對MP3CON和MP3CLK進行設置。MP3解碼器分缺少數據中斷和校驗中斷兩類中斷，在MP3CON中可以對其進行設置。簡單處理可以采用查詢標志位方式，避免使用中斷。MP3解碼器對時鐘有一定的要求，MPEG I格式的MP3數據要求最低時鐘為21MHz，MPEG II格式為10.5MHz。該時鐘計算公式為：MP3clk＝PLLclk/(MPSD4:0＋1)。 音頻輸出接口初始化 得到兩個聲道串行數據前需先對音頻輸出接口的AUDCON0和AUDCON1中的相關部分進行正確的設置。配合DAC芯片CS4330，其設置如下：輸出32位數據格式(DSIZ＝1)，聲道選擇信號中的高電平為左聲道(POL＝1)，選擇256·Fs的數據速率(HLR＝0)，選擇MP3解碼器的輸出為數據源(SRC＝0)，18位數據右對齊(JUST4:0＝14)。為了聽到正常的聲音，還需根據MP3的采樣率設置MP3CLK來得到正確的音頻輸出接口的時鐘，該時鐘的計算公式為：AUDclk＝PLLclk/(AUCD4:0＋1)。 按鍵初始化 要實現播放MP3的人機交互功能，就需要鍵盤的支持，AT89C51SND1C專門提供了4個中斷的按鍵接口，當這些中斷被使能后就可以簡單地通過讀取KBSTA得到按鍵的狀態。按鍵初始化的時候只需要在KBCON開啟相應接口的中斷，再開啟總中斷的EA即可。 ISP1362的設置 為了能正確地從U盤中讀取MP3文件，首先要對USB控制芯片ISP1362進行以下幾方面的設置。 數據緩沖區的劃分 ISP1362內部有4KB的數據緩沖區，可劃分為4部分以供USB的四種傳輸方式使用。其中同步傳輸為雙緩沖，占用ISTL0和ISTL1，一般二者大小是一樣的。中斷傳輸占用INTL。控制傳輸和塊傳輸共用ATL。分別通過HcISTLBufferSize 、HcINTLBufferSize和HcATLBufferSize 來設置ISTL、INTL和ATL的大小。 中斷的設定 這里的中斷并不是指USB中的中斷傳輸，而是傳統意義上的硬件中斷。如果不使用中斷，則應該將其關閉，具體操作為將HcuPInterruptEnable置0，而 HcInterruptDisable中所有位都置1。 ATL 緩沖的設定 控制傳輸是任何USB設備都有的數據傳輸類型，而在ISP1362中，它占用的是ATL緩沖區，因此對ATL 緩沖的設定是必不可少的。具體的操作是設置以下幾個寄存器：HcATLPTDSkipMap、HcATLLastPTD、HcATLBlkSize、HcATLPTDDoneThresholdCount和HcATLPTDDoneThresholdTimeOut。 其它相關寄存器 ISP1362還有一些關于硬件的設置，比如端口設定以及過流保護等。除此之外，還需要確定一個幀所發送的最大數據量等信息，這些操作通過設定HcHardwareConfiguration和HcFmInterval兩個寄存器完成。 讀取U盤 U盤在使用USB傳輸時使用的是塊傳輸方式，操作相對比較復雜。除了最基本的USB協議之外，還需要實現許多其它相關協議，比如Mass Storage、Bulk-Only、SCSI－2、UFI等。但對USB接口芯片ISP1362而言，需要完成的僅是按照協議規定進行數據的傳送。 相關描述符和設置 U盤一般使用Mass Storage協議進行通信。然而在使用Mass Storage協議通信之前，應首先關注傳輸協議和U盤的端點描述符。 Mass Storage中的傳輸協議常用Bulk_Only，然而在這種傳輸方式下又可分多種指令集，而U盤常用SCSI指令集。 Bulk_Only的傳輸方式在通信時應首先讀取端點描述符來獲取Bulk_In和Bulk_Out這兩個端點號，之后才能進行USB的正常通信。 FAT文件系統 由于現在U盤的容量普遍較大，對U盤的操作往往都是按塊來進行的，其大小一般均為512B。但實際U盤上的數據是以文件系統的方式來存儲的，目前U盤常用的文件系統有FAT16和FAT32。而這兩種文件系統在很多內容方面都是相同的，因此，在實際訪問中可以對其簡單的區分，然后分別進行不同的操作，就能實現對不同文件系統的U盤進行訪問，提高通用性。 播放MP3文件 播放一個MP3文件需要經過以下幾個環節：解析U盤的文件系統，獲取MP3文件的信息，從U盤中讀取指定的MP3文件，將文件中的數據送至AT89C51SND1C內嵌的MP3解碼器，解碼后的數據經音頻輸出接口調整格式后輸出兩個聲道的串行數據，再經過DAC芯片CS4330將數字信號轉換為模擬信號，最后經集成運放MC33202將信號放大輸出。 初始化相關芯片 對主控器AT89C51SND1C和USB接口芯片ISP1362的初始化是至關重要的，除了上述一些需要初始化設置的地方，還應注意單片機和ISP1362復位要同步。另外還應對MP3解碼器音量控制的相關寄存器進行初始化，默認情況下它們都是0，即處于靜音狀態。 獲取MP3文件中的數據 從U盤中獲取MP3文件是一個相對煩瑣的過程，首先應能按照USB的相關協議讀取U盤上指定塊的數據，之后還要根據得到的數據解析文件系統，從而得到指定MP3文件的起始塊地址，然后通過查FAT表的方法得到后繼的數據。并且還應將得到的數據存儲在AT89C51SND1C內部開設的數據緩存中，等待MP3解碼器缺少數據時使用。由于MP3解碼器內部的數據緩存較小，因而就要求獲取MP3文件數據的時間要盡可能的少，這就需要該部分的代碼要盡量精簡。 MP3解碼器解碼 啟動MP3解碼器之前應先對讀取來的MP3數據的幀頭進行解析，根據解析得到的采樣率設置音頻輸出接口的時鐘。從U盤中讀取的數據也應先暫存在AT89C51SND1C內部開設的數據緩存中，開始播放之前需要先通過MP3DAT向MP3解碼器的數據緩存中送滿1KB的數據，之后待MP3解碼器出現缺少數據的狀態(MP3STA1寄存器中的MPFREQ＝1)，再將AT89C51SND1C內部數據緩存中的數據寫入MP3解碼器中。當數據緩存中的數據全部用完后，就應立即再次讀取U盤，如此往復直到整個MP3文件都播放完畢為止。 結語 本系統很好地實現了對U盤的識別和讀取，突破了傳統MP3播放器中解碼器與存儲器一體化的限制，只需使用更大容量的U盤就可以在原有硬件基礎上增加存儲容量，在音響和汽車電子方面具有良好的應用前景。 |
