基于AT89C51SND1的MP3播放器设计方案

MP3播放器已成为现代消费者首选的随身听产品，它以小巧玲珑的体积，精美的外形，低廉的价格及其出色是音质和强大的功能深得消费者的厚爱。国际上很多芯片制造商看准商机，开发出以自己生产的芯片为核心的MP3方案，并公布于众，这些核心芯片包括：ATJ-207X系列，AT9015系列，AT161系列，STMP341X系列等。其中，以ATMEL公司生产的AT89X51SND1系列芯片最为著名，其中包括本设计所采用的AT89C51SND1芯片。AT89C51SND1：AT89C51SND1单片机是ATMEL公司专门针对开发MP3而设计的，其主要特点是内部集成了MPEG2解码器和USB通讯接口，内含64k的内部程序存储器，支持在系统编辑ISP功能，通过USB或者串行口对芯片进行编程操作，内部数据存储器为2056字节。它最高支持20MHz的工作频率，工作电压为3V，内部集成的MPEG2解码功能支持48，44.1，32，24，22.05及16赫兹的采样序列，可直接与DAC音频转换芯片连接，支持USB1.1协议全速引擎，并提供相应的键盘中断、IDE/ATATPI/MMC及ISP接口。MP3DIY主要有两种方案：使用DSP装配和使用专用MP3开发芯片。DSP系统硬件设计麻烦,程序晦涩难懂，购买DSP芯片的价格也较高，因此本设计采用后一种方案。以AT89C51SND1为核心的MP3系统主要实现一个MP3播放器的功能，整个系统由AT89C51SND1(MCU)、K9F1208UDF(FLASH芯片)或硬盘、音频转换部分、USB接口、外部控制、串行通讯、电源部分和录音部分组成。1、MCU部分：即AT89C51SND1,控制整个系统，提供USB控制和MP3解码功能；2、存储器：作为MP3播放文件的存储器；3、音频转化部分：将数据流转化成声音信号；4、外部控制：对MP3进行操作的外部中断按键；5、通讯系统：包括USB及串口通讯。6、外部显示：包括了LED发光管指示灯，液晶显示屏等。7、电源部分:为MP3提供所需要的电能；8、外部音频输入部分：包括音频输入元件MIC及A/D转换芯片ATMEL公司在网上公开提供的一款以AT89C51SND1为核心的MP3方案(以下称小板方案)。3.3V供电，对开发板的供电采用两种形式：USB供电和电池供电。USB接口提供5V电压和200mA电流，Imax=500mA,AT89C51SND1C所需的电压为3V（偏差10%），25mA。若使用USB口供电，需将5V转化成3.3V。一般可以采用电阻分压和DC-DC芯片降压。因为MP3属于高速信息传输数码产品，能否有一个良好的电源对MP3使用的稳定性来说至关重要，因此一般采用芯片降压的供电方案，本方案选用的芯片为AS1117，它输入电压为4.75-10V,最大输出电流为800mA，转换后输出电压为3.3V，是比较理想的USB电平转换芯片。电池供电可采用两种方式：直接串接电池法和高频振荡升压法1.5V的电池串联形成3V的电压直接接入MP3,这种方法不需要什么外围电路，芯片工作正常，但普通电池压降比较明显，当电池使用一段时间后，压降后的电压会导致MP3长期工作于不稳定的低压状态，对其音质和机体有很大的损害。后一种则将1.5V的电压经高频振荡后送入电平转换芯片，将其转换成3.3V电压。这种方法是目前最常用的电源技术，它只需要一节电池供电，占用体积小，由于电压是经过高频振荡后转化而来的，所以电池的压降不会影响最终输出的电压，这也大大延长了电池的使用寿命，真正做到节能，是现代各种随身产品的首选供电方式。SP6641(直流推进转换器)和SP6231（万用串列总线外围设备）构成，电路中，场效应管SI2312DS与按键SW5构成了电源开关控制电路，每触发一下SW5，SI2312DS将作导通和断开电源，电感L1和肖特基二极管BAT54S构成高频振荡电路，它将高频电流送入SP6231处理后，再由它送入SP6641进行直流电压转换，最终将3.3V电压送至整个设备。]和数字电源的区别：在一些数字电路中，我们会发现会有DVDD（数字电源）和AVDD（模拟电源）两种电源，在小板方案中也不例外，这是因为一些芯片制造商在设计芯片时，为了让芯片工作于一个稳定的环境里，特意为其设计了专用电源DVDD。原则上，数字电源与模拟电源没有什么大的区别，但模拟电源工作的环境中，可能会出现大的压降或其他影响整个电源的情况。为保证系统的稳定性，通常在设计时，将数字电源和模拟电源分开设计，最后用一跳线将两个电源连接在一起，这样可以避免模拟电源对数字电源的影响，以保证系统的稳定性。USB通讯和串口通讯两种通讯方式，通过他们都可以进行程序烧写（51SND支持系统在线编辑功能），但通过USB接口还可进行文件的存储，即具有U盘通讯功能，所以一般只需要完成USB通讯接口就可以了。MAX232进行TTL电平转换，然后直接将信号送入51SND1的25，26脚（串行通讯接口），通过51SND1内部的程序支持和计算机上的软件来完成串口的信息通讯，串口通讯需要注意波特率问题，选用不当的波特率有可能造成通讯失败，最常用的波特率是9600和19200。USB接口的实现则是通过51SND1自带的USB1.1协议通讯端口，它不需要使用飞利浦等公司生产的USB接口转换芯片，此方案则是通过两个27欧姆的电阻后直接接入51SND的21，22脚，这两个电阻的阻值是官方站对自己所开发的芯片提供的，最好使用精度高的电阻，否则，会因为电阻分压不当而导致计算机无法识别51SND芯片。该方案中，有一PNP三级管2N2907，它的作用是作为一个开关，在实现U盘功能时，I/O口将硬件响应信号送入三极管的基极，使其CE导通，电源VDD通过1.5K电阻拉高USB的D+端口电位，以告知计算机有新的硬件接入。我们在设计电路时，通常在三极管CE上设一跳线开关，在烧写MP3程序时，需手动拉高D+口电位。89C51SND1芯片提供了外部录音功能，在程序的支持下，通过外部设备MIC及其模数转换芯片向其送入音频信息，51SND1将其转化成WAV文件后保存在存储器中，通过MP3放音功能可将其音频信息读出。该方案中，实现MIC到CPU转换的是MAXIM公司生产的MAX4468(增益带宽涌流器),它的主要功能是将MIC的信号放大，并将其转化成数字信息，通过CPU将数字信息储存在存储器中，从而实现MP3的录音功能。mp3音频转换部分：AT89C51SND1支持PCM和I2S两种音频结构，音频数据流可以来自MP3解码的输出，也可以来自MCU直接的音频输出，和MP3解码部分类似，整个音频部分和51内核也通过5个寄存器来进行数据和控制信息的交流，这5个寄存器是：1.音频接口控制寄存器0AUDCON0(AUDIOINTERFACECONTROLREGISTER0)2.音频接口控制器1AUDCON1(AUDIOINTERFACECONTROLREGISTER1)3.音频接口状态寄存器AUDSTA(AUDIOINTERFACESTATUSREGISTER)4.音频接口数据寄存器AUDDAT(AUDIOINTERFACEDATAREGISTER)5.音频时钟分频寄存器AUDCLK(AUDIOCLOCKDIVIDERREGISTER)当音频数据的第一位送入DA转换器的时候就会产生时钟信号。从MP3解码器送出的数据被送入MP3缓冲器，MP3的解码数据缓存和解码器通过一个握手信号进行通讯，可以通过AUDCON1寄存器中的DERQEN位来决定是否需要数据。目前市场上的MP3，其存储器是多种多样的，按照其存储器的不同，大致可分为:FLASH芯片存储，CF卡存储和硬盘存储三种。当然，不能否认还有一些使用的是碟片或者其它芯片存储。FLASH芯片存储的MP3最常见，因为其体积小，存储速度快，耗电省等特点，已成为现在MP3存储器的首选(目前市场上的大部分MP3都使用这种存储器)，本方案使用的FLASH存储器是韩国三星公司生产的K9F系列FLASH存储器，这些存储器从16M到256M不等，但价格比较高，一片64M的芯片售价是130元左右，256M的售价300多元，用户可根据需要来选择，但选用不同的FLASH芯片时，应注意程序兼容的问题，比如设定存储器的大小，FLASH存储器读出和写入的入口地址等等。CF卡存储器最早应该是应用在数码相机上，它的特点是支持插拔，更换碟片容易，市场上很容易买到，其价格也比较便宜。这类MP3在市场上不常见，因为其体极大，存储量又不如硬盘，常用于数码摄像机机带MP3功能的存储器。但因为CF卡价格便宜，多为DIY者选用公司看准商机，生产出专门用于MP3的微型硬盘，它的容量大小从几个G到几十个G，但此类MP3目前售价较高，使很多MP3爱好者望尘莫及。在MP3DIY一族里，已经有不少高手使用普通硬盘完成了硬盘MP3,使用的CPU正是51SND1。51SND1与硬盘通讯的方法多种多样，最常用的方法是利用锁存器74373和38译码器74138作为接口扩展，32KRAM62256作为缓冲器与硬盘的IDE接口连接，由于硬盘需使用12V和5V两种电源，其耗电量也非常大，不适合随身携带，所以大部分DIY的硬盘MP3多是以台式的方式出现，并配上了液晶显示及功放电路。用硬盘作为MP3的存储器要比使用FLASH芯片和CF卡复杂的多，不仅仅要了解硬盘接口的定义，在编写驱动程序时，还要完全读懂FAT文件，这个文件包括软盘数据的逻辑存储、硬盘中的数据组织、硬盘主引导记录（DBR）及其结构、引导记录及其结构、文件分配表FAT、文件目录表、分区表等等。要想完全看懂这些东西，必须要对计算机原理作充分的了解，理清程序算法，这些不亚于学好几门高等数学。在国内的DIY人群中，能看懂FAT文件，写出硬盘驱动的人也寥寥无几