基于单片机的MP3设计与实现--毕业论文.docx

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的MP3设计与实现 学 院： 计算机工程学院 专 业： 计算机科学与技术 学 号： 学生姓名： 指导教师： 基于单片机的MP3设计与实现摘要：本课题研究的是基于单片机的MP3设计，随着电子技术应用的不断发展与完善，数字媒体设备的发展也进入一个新的领域，人们对媒体设备的需求与要求也随着科技的进步发生了巨大的改变。因此，将拓展灵活、功能强大的单片机应用于MP3音乐播放器在满足消费者的需求，为数字媒体设备更新换代提供新思路等方面有着重大的意义与价值。首先，单片机是一种集成电路芯片，选用超大规 模技术将具备数 据处理(中断处理、算术运算、数据运算、逻辑运算)能力的微处理器以及RAM 随机存储器，ROM只读存储器，数据IO系统和中断系统，定时器等；将这些功能在一块单块芯片上实现，构成一个虽然小但是功能完全的最小系统。因为其扩展灵活、控制功能强、功耗低、体积小等优点，在数字化仪表、工业自动化、智能机器人、计算机网络通信与数据传输等领域有着极为广泛的应用。音乐播放器通常由中央处理器、音频解码模块、存储设备、主机通讯接口模块、DA转换和功放、控制模块、界面显示模块等几部分组成。其中中央处理器负责对各模块的调度，音频解码模块负责将音乐文件的数字信号转化为模拟信号，以便通过功放设备的播放被人耳接听；存储设备作为音乐文件的载体在音乐播放时将文件送到解码芯片；控制模块通过按键的方式实现对音乐文件上一首、下一首、播放暂停、音量加、音量减的控制。鉴于单片机强大的拓展功能，将单片机与MP3音乐播放器结合起来开发一款基于单片机的MP3音乐播放器。该单片机音乐播放器相比较于传统的MP3音乐播放器，在实现了原有功能的基础之上，还具有更为强大的拓展功能。经过对多个方案的对比和分析，本设计方案决定采用ATMEL公司的生产的STC89C51RC芯片作为中央处理器控制芯片，YX5200-24SS芯片作为音频解码芯片。51芯片通过软件控制对接入的各个模块的调度，来保证系统的正常运行。音频解码芯片通过对U盘数据的读取和解码，通过DA转换和功放电路实现对数字信号的解码播放功能。本论文围绕设计思想，详细的介绍了MP3音乐播放器的国内外研究现状、MP3音乐播放器的工作原理、MP3格式音乐文件的编码及解码过程与原理、本设计的硬件电路设计、软件设计、以及所用芯片的功能和参数。并给出了一套完备的解决方案，最终完成了了MP3音乐播放器的一般播放功能。关键词：STC89C51;MP3;YX5200Design and Realization of MP3music Player Based on 89C51Abstract：This topic research is based on single chip microcomputer MP3 design, with the continuous development of electronic technology and the improvement of the development of digital media devices are also entering a new field, peoples demand for media devices and requirements with the progress of science and technology also great changes have taken place.Therefore, develop flexible and powerful single-chip microcomputer was applied to MP3 music player to meet consumer demand, provide new ideas for digital media equipment upgrades and so on is of great significance and value.First of all, the single chip microcomputer is a kind of integrated circuit chips, the vlsi technology will have data processing (interrupt handling, arithmetic operations, data operation and logical operations) capability of microprocessor and RAM random access memory, read-only memory ROM, interrupt system and the IO, timer function such as integrated into a single chip, the minimum system constitutes a small and perfect.Because of its flexible extension, strong control function, the advantages of low power consumption, small volume, in the digital instrumentation, industrial automation, intelligent robot, computer network communication and data transmission, and other fields has been widely used.Music player is usually determined by the central processor, the audio decoding module, storage devices, the host communication interface module, D/A conversion and power amplifier module, control module, interface, etc.The central processing unit (CPU) is responsible for scheduling of each module, audio decoding module is responsible for the music file digital signals into analog signals, so that through the power amplifier devices play by ear answer;Storage devices as the carrier of music files in the music playing when to send the file to decoding chips;Control module is implemented by means of keys, the poem on the music files, play/pause, volume, volume reduction control.In view of the microcontroller powerful development, combine microcontroller and MP3 music players develop a MP3 music player based on single chip microcomputer.The SCM music player compared to traditional MP3 music player, in achieving the function of the original basis, but also has more powerful development.Through comparison of several schemes and analysis, this design scheme has decided to adopt the ATMEL company produces STC89C51RC chip as central processor control chip, YX5200-24 ss as audio decoding chip.51 chip by software control to access the various modules of the scheduling, to ensure the normal operation of the system.Audio decoding chip through the U disk data reading and decoding, through D/A conversion and power amplifier circuit to realize the digital signal decoding broadcast function.Around the design thought, this paper detailed introduces the research status quo of MP3 music player, the working principle of MP3 music player, MP3 music files encoding and decoding process and the principle, the design of hardware circuit design, software design, and function and the parameters of the chip used.And gives a complete solution, implement the normal function of MP3 music player.Keywords: STC89C51 ;MP3 music player;YX5200目录1绪论11.1系统设计的应用价值11.1.1选题背景11.2 课题的研究现状及意义11.2.1研究现状113 方案选择32. 系统基本技术的分析与介绍42.1 MP3音乐播放器的工作原理42.1.1 什么是MP3及MP3音乐播放器的组成42.1.2 音频的编码及解码过程52.2 主要功能芯片介绍82.2.1 中央控制芯片 STC89C5182.2.2 YX5200芯片介绍93. MP3音乐播放器的硬件设计与实现113.1 系统的总体设计113.2 系统各个模块的设计与说明113.2.1 主控系统模块113.2.2电源管理模块123.2.3解码芯片模块133.2.4按键控制模块143.2.5LCD显示模块144、MP3音乐播放器的软件设计及实现164.1语音模块驱动设置174.2 EEPROM设置184.3初始化LCD的过程195、实验测试及结果216、设计总结227、致谢228、参考文献23绪论1.1系统设计的应用价值从身边的电子产品的不断更新换代，到新闻报道里航空航天，导弹飞船的研制，计算机科学技术的不断进步和单片机系统的广大应用正在改变着我们的生活。近年来随着计算机相关技术的进步和发展，在各个领域中运用单片机的实例越来越多。1.1.1选题背景随着社会的进步，人们价值观的改变，近年来电子产品的需求与技术发展与日俱增，从一机难求的iPhone手机，到逐渐崛起的国产神机，市场有需求，技术就有进步。由于需求的不断提升与技术的不断发展，单片机嵌入式系统的复杂度也在逐渐提升，在开发和使用单片机时，我们也需要更为专业，更加精细的要求。当然，在音乐领域单片机系统技术的应用也获得了新的突破与发展。如今，数字音频的时代已经统治了整个市场，模拟音频的世界一去不复返了。在MP3、CD、MD等产品的技术支持下，音乐的流传获得了质的飞跃。MP3凭借其小巧灵活、性能强大的独特产品特性，在产品的应用与开发方面具有很强的可塑性与灵活性，能够满足不同消费者的各种需求，因此，在历经考验之后，MP3以绝对的优势占领了市场，称为音乐的代名词。市场的消费数据也表明，各品牌多种类型的MP3凭借时尚个性的外形，强悍劲道的播放功能创造了消费类电子产品的一波新潮流。1.2 课题的研究现状及意义1.2.1研究现状在了解什么是MP3之前，我们需要先对MPEG（Moving Piceture Experts Group）有一个了解和认识,它是International Standardization Organization（国际标准化组织）的一部分；为音频和视频传送制定国际标准而负责，现在常见的标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4，等等。MPEG-1标准。是该组织定义的，第一个有损音频压缩标准，把他应用在视频、音频制作和视频的上传下载的Internet应用层面上是比较常见的现象。为了减小在压缩过程中的失真现象，MPEG-1标准；在人耳听觉心理学的基础上，只是捡取人耳不能识别的部分信息细节进行删除和筛选，所以，人耳能够听到的部分，是不会丢失的，只是在音乐的饱满度上有了一些欠缺，针对不同的需求，MPEG-1格式标准制定了三个层次，每个层次又是一个新的压缩标准。现在我们熟知且应用最广泛的是第三层，MP3（全称：MPEG-1 Layer-3）；是MPEG-1标准里最为复杂、压缩比例最高的一层；本层压缩标准模式可以将音乐文件以10:1 甚至12:1的比率压缩。也就意味着一个10M-12M大小的CD文件可以被压缩成1M左右的MP3格式文件。正是由于MP3体积小，易存储，音质高这些特点。使得MMP3对音乐有了巨大的影响，在人们提到MP3时自然而然的就想到了音乐。Mp3音乐格式，通过心理声学删除了一部分超出人耳识别声阈的数据，在对模拟音频信号，做数字化转换过程时，根据不同的压缩比例，在一个适当的范围内，将音乐文件从时间信号转换到频域信号。*32波段;多相积分;滤波器（PQF）；*36或12tap;改良离散余弦;滤波器（MDCT）；*混跌衰减后处理据声明规格MPEG，MPEG-4 AAC会（高级音频编码）是新一代的MP3格式的，虽然很多其他格式，以创造和促进的重要努力。但是，由于现在任何成功的MP3等格式的空前普及，这种转换是需要时间的。1.2.2 研究的目的与意义虽然MP3音乐播放器早已在国内外的电子市场上独领风骚多年。而且随着手机等的冲击，但MP3的销售并没有受到任何影响。因 其越来越多的功能和模式，以及史无前例的新概念设计，例如：镜面设计、巧克力面板、视频播放和录音功能等使得MP3的销售获得一次又一次的新的能量。伴随着这些新鲜的设计理念和新的拓展功能， MP 3在消费者面前一直保持旺盛的、源源不断的生命力。虽然这些新鲜吸引人的卖点曾引起MP3一次又一次的热销潮流。但是当我们抛开光环进一步去思考这些曾经所谓的卖点，其实他们未必都是完美无瑕的，但是在实用可靠的出发点去思考时，这些元素可能仅仅只是一个用来吸引消费者眼球的卖点，而并未考虑到消费者的使用体验。虽然MP3音乐播放器的制作生产技术已经非常成熟，但是在低功耗长待机，以及更好的人际交互方面还欠缺发展，这也就以为着对现今MP3制作生产工艺的优化是有意义的。因为嵌入式系统的不断发展与进步，在各个领域都能看到嵌入式设备的影子，不论是家用的电器，小孩子的玩具，还是工厂的设备，国防的武器，都能看到电子产品的应用。作为一种经典 的嵌入式设备，MP3音乐播放器在工艺的完善与改进方面亟待提高。本课题基于STC89C51的MP3音乐播放器的设计方案，进一步改善了这一问题，并提高了MP3的功能延展性与设计的灵活性。1.2.3 课题研究内容本设计在研究之初，围绕本设计扩展性强，功能灵活的中心，借鉴了一些其他的优秀经验，以求开发一款新式的音乐播放平台，从发展角度来讲，MP3之所以受到消费者的青睐，主要是因为其携带方便，外观时尚，音乐格式存储下载方便，以及方便的拓展功能，比如录音，转录等。本课题提供USB接口，利用U盘作为存储介质，方便存储、下载。最大化的方便用户使用该系统。本课题主要内容：以单片机系统为中心，将U盘中的存储的MP3格式歌曲文件通过音频解码芯片模块的USB转串行接口送至STC89C51单片机的内部RAM缓冲中，再送至解码部分解码，本实验设计使用的是YX5200-24ss数字解码芯片，其模块集成了USB通信需要的FAT文件系统。可以方便的实现USB通信。而不必花费大量时间，去了解繁琐的USB通信协议。直接调用现成的A P I 库，就可以实现读、写数据的功能。因此在硬件设计时，只需要在实现基本单片机系统的基础上，增加一个独立的音频通信解码模块。就可以实现设计功能。在软件设计上也比较简单。本系统内部电子元件的工作电压在3 . 3 V左右。本设计的主要模块有：1、 LCD模块：显示播放歌曲的相关信息，如歌词，所在目录等信息2、 音频解码模块：对存储的歌曲解码，通过扬声器播放3、 USB模块：1）挂载U盘，作为存储设备；2）信息交换4、 电源管理模块：为系统运行提供稳定的电源和电压保护13 方案选择在确定了MP3音乐播放器的基本实现方案后，通过对资料的收集与对市场的考察，发现，基于单片机的MP3音乐播放器的整体方案大致相同，主要部分包括：中央处理器（STC89C51）、音频解码芯片、存储设备、USB接口、外部控制、串行通讯、电源模块等组成，实验初期制定了一下三个方案：方案一：采用ATMEL公司生产的STC89C51作为中央控制芯片，YX5200-24SS作为解码芯片及数据通信芯片。方案二：采用ATMEL公司生产的STC89C51作为中央控制芯片， U S B总线的通用接口芯片使用CH -375，飞利浦公司生产的PHILIPSSAA7550作为音频解码芯片。方案三：以ATMEL;公司生产的AT89C51-SND1作为主要控制芯片，该芯片是针对数字媒体设备推出的一款专用芯片，因为在该芯片集成了对MP3格式音乐文件，解码的音频解码芯片。所以在是使用时，不需要再添加额外的解码模块。在考虑了实际情况以及实现方案的困难度之后，本设计采用了方案一。首先相对于方案二，两方案的主控芯片均为ATMEL公司生产的STC89C51芯片，但是在音频解码模块部分，方案一的集成度要远高于方案二，实施起来也更为方便。方案一与方案三在芯片集成度与实施难度上差别不大，但AT89C51SND1芯片在本地市场及互联网商城较难购买，因此在实地考察了市场，综合分析了本设计的功能需求与设计思路后，决定采用方案一，方案一具备的优点如下: 1、 芯片较少，电路结构简单。2、 软件方面，可以使用51系列开发工具及语言进行实现。3、 价格适中，生产成本得到控制。4、 芯片较为常见，市场上易于购买。5、 YX5200解码芯片支持TF、FAT文件系统，免去对底层繁琐协议的了解，直接调用接口，比较方便。2. 系统基本技术的分析与介绍2.1 MP3音乐播放器的工作原理2.1.1 什么是MP3及MP3音乐播放器的组成随着电子产品发展的加快，MP3音乐播放器以时尚新颖的外形设计、强大的播放功能以及低廉的价格得到了广大消费者的认可与厚爱。同时，也引起了许多电子发烧友的兴趣。他们通过购买各种电子元件，以设计出有自己独特风格的MP3为骄傲。绪论里面已经介绍过，MP3格式是MPEG-1 Layer-3的简称。与之对应的还有MP1（MPEG-1 Layer-1）以及MP2（MPEG-1Layer-2）。根据他们对音频文件的压缩率以及编码器的复杂程度来区分三者。其中，对MP1、MP2压缩率是4;1、6;1到8;1，而MP3音频文件的压缩率达到10;1至12;1。虽然MP3对音频信号有一种有损压缩模式，但MP3所使用的“感觉编码技术”最大限度地减少了语音失真。编码时，通过分析音频文件的频谱，用滤波器过滤噪声电平。然后，剩余的频谱是分散的，并安排在一个定量的方式，并最终MP3文件形成。MP3音乐播放器主要由七部分组成，在其中两部分最为关键，他们分别是中央处理器、音频解码芯片部分，中央处理器，即单片机。MP3音乐播放器的控制程序就是在他的基础上运行的，也被称之为固件程序（fireware），MP3音乐播放器的所有功能模块的运行以及数据的交互都受它控制与调度。MP3文件要转换成声音，需要将以数字流存储的文件，解码成模拟音频格式，这一转化过程，就需要一个重要的芯片-频解码芯片，音频解码芯片把数字信号以PCM的格式解码，以文件格式接受或发送数据给中央处理器的主机通讯端口。单片机还需要一个通信接口，来保持和其它设备的通信，此设计采用USB最为通信端口，在数据交换时遵守通信协议的USB通信协议、大容量移动存储SCSI规范等协议；DA转换的过程是数字音频信号转换为模拟音频信号促进耳机和一个功率放大器等模拟音频转换成人耳识别信号；在通过音乐播放显示设备通常采用液晶显示器等组件来配合展示相关信息；各个设备部件模块间通过相应的软件结构和实现的MP3音乐播放的正常运行。以下为MP3的整体原理图：图2-1 MP3整体原理图2.1.2 音频的编码及解码过程MP3文件是帧组成的，帧是MP3文件的最小组成单位，类似于网络传输中的数据帧，MP3中的帧也包含帧头和数据位以及帧的程度等信息。MP3文件主要可以分为三个部分：数据帧、TAG_v1帧、TAG_v2帧。不同的帧，包含着不同的内容，数据帧里面是歌曲的数字流信息，TAG_v1帧一般在文件尾，主要包含歌曲的版本信息 ，例如作曲，演唱者、发行时间等。其大体信息如下所示：TAG_v2帧数据帧TAG_v1帧图2-2 MP3 帧结构MP3格式音乐文件采用的是有损压缩方式。虽然是有损压缩，但是在“知觉编码”和“感官编码技术”的知识体系影响下，MP3格式音乐文件在人耳能够识别的声音区域的音质和码率都没有受到影响。MP3格式音乐文件在压缩时，采用了五大技术：最小听觉阈限(The minimal audition threshold)、屏蔽效果(The masking effect)、字节蓄积(The reservoir of bytes)、接合立体声(The Joint Stereo)、Huffman 编码(The Huffman coding)。3首先，最小听觉阈限技术，是根据Fletcher和Munson法则。将人耳可以感知的音频信号划分在2KHz5KHz之间，而超出此范围的声音因为人耳无法感知，因此在编码时，可以不对这一范围内的声音编码。屏蔽效果，是MP3格式在压缩文件是采用的另一个技术，他与最小听觉阈限技术的思想是一致的，就是舍去不必要的声音，在音乐文件中，可能有些声音比较小，在同时出现声调较高的音乐是，较小的这部分音乐可能回被屏蔽掉，而不能被人耳接听，这部分声音在编码时也是可以省略掉的。因为音乐片段的音乐质量需要一定的速率编码来保证。MP3文件格式在编码时，会压缩给定速率较低的编码段落，获取的空间作为一个缓冲器匀给给定速率较高的编码段落，从而实现减小文件体积的目的。在立体音响信号的情形下，MP3格式采用“接合立体声（Joint Stereo）”和“MS立体声”的编码方式来进一步压缩音乐文件的格式。在播放时，通过MP3的解码器将左右声道重构成原来的格式。在压缩编码音乐文件的最后阶段，MP3使用Huffman算法技术来是编码文件进一步被压缩。相比较于前四种方法，Huffman算法技术不是对音乐文件内容的压缩而是对文件大小存储方式的一个压缩。因为Huffman码具有唯一的前缀特性，对高概率出现的编码符号在解码时可以被正确的解码而且速度也非常快，而在编码时，采用Huffman编码可以节省约20%的存储空间。Huffman编码与我们学习数据结构时，接触的Huffman树原理相同，Huffman树是一种最优二叉树算法，通过把权值大的数据离根节点越近的算法，使得路径的值最小，Huffman编码，根据各字母出现的频率，对应不同的权值，用Huffman算法排列，使得程序所占空间得到减小。编码过程分析：图2-3 编码过程在A/D转换时，MP3压缩格式首先对音频文件进行量化处理，就像微分定力一样，将连续的线性信号，按一定的时间间隔，将连续的线性信号变量隔离断开转换成，离散的数字信号，然后将得到的数据，转换成二进制，再按MP3规定的规律进行编码。这一过程称为A/D转换。4图2-4 量化过程分析解码分析：作为一个音乐格式标准，解码部分在MP3的应用领域所占的比重还是比较大的，毕竟对大多数用户来说，他们使用MP3的主要目的是播放音乐文件，而非去制造一个音乐文件。解码过程相对于编码就比较简单，计算机解码时不需要参照人类心理声学理论，也不必考虑文件的存储和比特位的分配方式。在解码时，只需要对读到的比特流进行分析检测，重点检测数据帧的频谱分布，以及数据帧的信息。将这些信息根据解码的比例系数，重建为模拟信号。MP3的解码过程与编码过程相反，其主要步骤如下第一步：比特流分解，首先把MP3文件用二进制的方式打开，从检测到的数据流中依次读取出MP3文件的头信息，变信息以及比例因子信息等。第二步：Huffman解码，因为编码时采用的是Huffman编码方式，解码时也采用Huffman解码方式进行解码，因为Huffman解码通过查表法实现解码，因此可以达到节约CPU时间资源的目的，从而提高系统的运行速率。第三步：逆量化处理，将存储在u盘中的离散的数字化信号量转换成连续的模拟量。第四部：立体声处理，因为在音频编码压缩时将左右声道做了处理，此时解码过程中按照相反的公式将声道重建还原成原来的格式。第五步：频谱重排列。第六步：抗锯齿处理。第七部：IMDCT变换。第八步：子带合成。以上四步是为了将模拟信号在采样过程中的压缩状态，通过公式变换，还原成压缩前的状态。第九步：PCM输出。PCM（脉冲，代码，调制）脉冲编码调制，立体声和5.1环绕立体声支持，被释放并推出了DVD研讨会在1999年。MP3解码器的工作流程如下图所示：图2-5解码流程将数字流的音乐文件通过解码器解码为模拟信号的过程称为D/A转换。本小节主要介绍了MPEG-1 Layer-3格式音乐文件的编码及解码原理。通过介绍我们可以得知，编码过程是解码过程的反向执行过程。压缩编码过程是将模拟音频信号压缩成数字信号，以便存储。解码播放过程是将存储设备里的数字文件解码成音频模拟信号，以用来播放。下图为MP3音乐格式的压缩与解压过程框架图：图2-6 编码解码流程框架图2.2 主要功能芯片介绍2.2.1 中央控制芯片 STC89C51STC89C51芯片是MCS-51系列单片机的一个版本。MCS-51系列单片机；一款高性能；8位的单片机操作系统，在1980年被INTEL公司推出。其主要包括8031；8051；8751三个子系列。在指令系统，芯片引脚；上完全兼容8位CPU；在1.2MHz的 12MHz的振荡器频率范围取片；数据存储器128B带片内的4cb；片外寻址寻址存储器空间下片；64KB片外部数据寻址存储器，用户64KB的128字节寻址空间；空间；有21的四个特质；一个8位并行I/O接口：P;0，P;1，P;2，P;3；两个16位;定时器/计数器；1; 5个两级优先中断；全双工串行I/O接口，其中，在多机通信时。第五条关于乘法和除法；日期，通过本指令，指令包含一个单一的片内的结构；强大；处理能力；单+5 V电源；2图2-7 C51内部结构图STC89C51芯片内部结构图从其芯片的内部结构图，可以看出，51内部的各个模块，通过内部在线紧密连接，他的结构是外围芯片加CPU的经典模式。功能部件的控制不同于一般微机的寄存器和接口寄存器控制。CPU与外围设备不分离，采用专用功能寄存器的集中控制，使用更加方便。时钟电路还集成了石英晶体，形成时钟。2.2.2 YX5200芯片介绍YX5200芯片，提供了串口通信的音频解码芯片，内部集成了MCU及adsp高速数字信号处理器，完美的实现了对MP3、WMV的硬解码格式。在软件解码方面，支持内存卡的TF格式和U盘通信的FAT16、FAT32格式。通过串口的指令调用可实现MP3音乐播放器对音乐的播放及控制功能，不需要再去了解底层的一些比较繁琐的指令，如驱动和通信协议等，使用方便，稳定可靠。在功能方面。YX5200芯片支持的采样率广（8KHz、11.025 KHz、12 KHz、16 KHz、22.05 KHz、24 KHz、32 KHz、44.1 KHz、48 KHz）；拥有24位DAC输出，动态范围支持90Db，信噪比支持85dB；在文件传输方面，文件系统的FAT;16y以及FAT32格式是被支持的；因此在通信方面，可以支持内存卡和U盘等存储设备。在控制方式上，该芯片支持多种方式的控制方法，包括并口控制，串口控制等，在调节音量时，它拥有30级音量可调。由于YX5200芯片强大的功能，其在车载导航语音播报、车站安全检查语音提示、机电设备故障自动报警、消防语音报警提示等方面得到了广泛的应用。6图2-8 解码芯片内部结构图该芯片的结构图可以看出，该yx5200芯片是一个集成了16位单片机和专用的音频解码器的ADSP SOC程序，使用硬件解码，解码和更多的质量保证系统的稳定性。YX5200芯片的通讯指令：CMD（指令） 对应的功能0x01下一首歌曲0x02上一首歌曲0x03指定曲目0x04音量加0x05音量减0x06指定音量0x08指定播放模式0x0d播放0x0e暂停3. MP3音乐播放器的硬件设计与实现3.1 系统的总体设计本课题设计的目的与意义在于对MP3功能的一个扩充与完善，本设计方案可以方便的将U盘及电脑上的MP3格式音乐文件通过USB串口传送到MP3音乐播放器上。本系统的主要硬件设计包括:主控芯片STC89C51和各个功能模块（电源管理模块、音频解码模块、按键模块、LCD显示模块）的连接设计；电源管理模块的设计，在外接电源是需要将电压转换到3.30V以提供给USB口及其他芯片作为稳压电源；按键功能模块的设计，主要用于实现对音频文件播放的控制；音频解码芯片与USB口的通信，主要用于MP3音乐文件的传输以及音频文件的解码；本次设计的系统工作原理框架图如下图3-1MP3工作原理图3.2 系统各个模块的设计与说明3.2.1 主控系统模块相比较于传统的MP3播放器，本设计采用C51作控制芯片，在开发过程中可以极大的拓展系统的功能，满足本设计的功能需求。设计在本设计选用的STC89C51中，因为该芯片集成了4K的片内ROM和EPROM芯片，以及128Byte的片内RAM。其片外只读寄存器的寻址范围最大为64K。并具有4个并行口以及5个中断源和一个串行口。所以在使用时只需要配以简单的必要外部元件就可以构成最小单片机系统。一个最小单片机系统主要包括晶振电路与复位电路两部分。晶体电路：晶体振荡器电路起着至关重要的作用，在供应链管理系统相结合的内部电路的车站，有一定的时钟频率来控制执行的指令序列，晶振速度决定单片机的效率，单片机队列保持同步的所有部分，单片机系统，所有的组件共享一个晶体振荡器。本设计晶振电路图设计图3-2晶振电路图复位电路：复位是单片机的初始化操作，就像电脑死机一样，单片机在运行时也会出现死机等现象，此时就需要复位单片机，使其重新正常工作。使RST引脚高电平，并保持一段时间的延迟，就可以实现复位操作。在实现最小系统运转的基础之上，再逐步实现其对整个系统的功能实现与连接。在本设计中。首先将单片机的P2.0口与解码芯片的BUSY引脚连接控制解码芯片的工作状态，将P3.0与P3.1分别于解码芯片的RX、TX相连，以提供相同的工作时序信号；然后将P3.3P3.7分别分配给KEY1（开始/暂停）、KEY2（上一曲）、KEY3（下一曲）、KEY4（音量加）、KEY5（音量减）。作为本系统的控制模块信号交互；X1、X2连接晶振电路，以产生相对稳定的时钟频率，供系统运行。P1.0P1.4作为控制位于LCD的CE、RST、DC、DIN、CLK连接，以控制LCD的运行状态。3.2.2电源管理模块由于STC89C51和YX5200音频解码芯片要求的电压范围为2.60V3.70V，然而通过供电接口供给的电源电压在5.0V左右，不能直接给控制芯片和解码芯片直接供电，因此必须添加一个稳压电路，使得提供的电压控制在能满足芯片工作所要求的稳定安全的范围内。对于一个便携、精密的电子设备来说，一个良好可靠的电源管理是其稳定工作的必要前提。在高速信息传输数码产品中，通常采用芯片降压的供电方法来满足各器件的正常工作。本设计方案中选择的是ALPHA公司生产的AS1117M 3.3V管。该芯片有三个引脚，分别为Vin、Vout、GND。该芯片的输入电压在4.010.0V，最大输出电流为800mA。Vout输出的电压为3.3V。该芯片不仅能满足本设计对电压转化的要求，而且电路非常简单。在接通电源时，二极管会发亮以作提示。其连接电路如下图所示：图3-3电源管理模块电路图3.2.3解码芯片模块解码芯片模块作为本设计系统内的第二重要模块，主要负担的责任是实现USB口通信功能、音频解码功能、D/A转换功能。首先YX5200解码芯片支持FAT16及FAT32格式的文件系统，通过简单的串口指令即可实现对音乐的播放功能。在使用时将USB+、USB-两个引脚与USB基座上的DM、DP引脚相连，即可实现通信功能。在数字音频解码方面，该芯片完美的支持MP3以及WMA等格式的音乐文件，该芯片通过硬解码的方式解码音乐文件，在降低信噪比，改善音频质量方面做得很好。经解码芯片内部集成的adsp数字信号处理器解码后，可以将数字信号转化成人耳可以识别的模拟信号。然后在封装的引脚SPK1、SPK2上连接喇叭或者DAC_R、DAC_L上连接耳机插口，通过功放设备将其播放出来。该模块的主要连接图如下：图3-4 喇叭电路连接图3.2.4按键控制模块按钮控制的基本原理是通过按键的开关来实现的，按键控制模块的按钮开关平时总是在断开的状态下的；当按钮被按下时，触点闭合，产生电流；脉冲波在计算机上生成。从而根据电路的连接情况，向端口发送高电平或低电平，达到控制电路信号的目的。因为按键一般为机械式开关，因此在开关闭合或打开时，不会立即接通或断掉电源，而是伴随着一串的抖动，因此在按键控制时，需要注意按键抖动的消除，防止单片机发生错误判断。消除抖动的方案主要有硬件消抖与软件消抖两种方式。硬件消抖一般采用R-S触发器或单稳态电路；软件消抖一般通过延时函数实现。在单片机系统中，为了使设计简明易懂，一般采用软件消抖的方案。本部分电路图如下：图3-5 按键连接电路图3.2.5LCD显示模块LCD显示模块采用的是NOKIA 公司生产的 NOKIA 5110 芯片，相比于LCD 1602 芯片；NOKIA 5110芯片具有 价格便宜、接口简单、消耗低、速度快等优点；采用穿行接口与主处理器通信的方式，使通信的线路得到简化；同时还支持多种穿行通信协议，使用非常方便。最高传输速率可以达到4Mbps;但是NOKIA 5110 芯片本身不带背光，因此使用时最好自己集成一个背光灯。另外需要注意的是，在使用之前，需要对芯片进行初始化，初始化步骤如下：第一步：清屏。清除屏幕，将显示缓冲区DDRAM的内容替换成空格（20H），光标复位，地址计数器AC置零；第二步：功能设置。设置数据位数与显示行数。第三步：开/关显示设置。控制光标显示、字符是否闪烁等。第四部：输入方式设置。设定光标的移动方向。7由于LCD的处理速度比CPU慢，因此在向LCD写入命令时，需要判断LCD是否处于BUSY状态。可以通过读忙标志命令来判断。显示模块的电路设计如下图所示：图3-6显示模块电路连接图4、MP3音乐播放器的软件设计及实现本设计MP3音乐播放器的播放设计是围绕按键控制模块展开的。在主电路上电后，中央处理器首先会对LCD显示模块、MP3音乐解码模块及各项数据进行初始化，然后向主程序请求读取数据请求，如果处于播放状态，调用播放程序，一直播放到当前文件夹最后一首。在播放过程中，主程序也会一直扫描按键的中断情况。在不同的按键中断条件下，执行不同的动作，例如开始/暂停、上一首、下一首、音量加、音量减等。下图是本次设计的软件流程图：图4-1 软件工作流程图4.1语音模块驱动设置通过硬件解码芯片的说明书，控制芯片对解码芯片的指令是有10个16进制码控制的格式如下（以下一曲指令为例）：7EFF0601000000FEFAEF起始命令版本信息数据长度命令字节是否需要应答曲目高字节曲目低字节校验位高字节校验位低字节结束命令图4-2 控制指令说明查阅了相关信息后，找到本实验需要用到的指令，并以数组的方式进行存储：音乐播放指令：7EFF060D000000FEEEEF音乐暂停指令：7EFF060E000000FEEDEF播放上一首指令：7EFF0602000000FEF9EF播放下一首指令：7EFF0601000000FEFAEF设置声音7EFF06060000VolXXXXEF对解码模块发送对应的指令，就可以实现对相关操作的实现，例如要播放下一曲，则向解码模块发送以下指令：voidMusic_DOWN(void)unsigned char Table10;Table0= 0x7E;Table1= 0xFF;Table2= 0x06;Table3= 0x01;Table4= 0x00;Table5= 0x00;Table6= 0x00;Table7= 0xFE;Table8= 0xFA;Table9= 0xEF;Send_Hex(Table,10);4.2 EEPROM设置然后就是对EEPROM的读写操作，在51单片机内，对EEPROM的操作主要有：字节编程、字节读、扇区擦除；8图4-3EEPROM操作说明所以首先针对这三个操作，定义需要用到的宏#define ISP_BYTE_READ 1/ISP字节读#define ISP_BYTE_PROGRAM 2/ISP直接编程#define ISP_SECTOR_ERASE 3/ISP扇区擦除图4-4 控制寄存器然后是对ISP_CONTR控制寄存器的设置；根据所附资料，及功能需求；本程序对ISP_CONTR设置值为0x81；在ISP/IAP允许编程改变Flash后，对EEPROM进行相对应的操作ISP_CMD = ISP_BYTE_READ;/读取字节ISP_CMD = ISP_BYTE_PROGRAM；/对字节编程ISP_CMD =ISP_SECTOR_ERASE;/擦除扇区执行完这些命令后，还需要ISP_TRIG命令触发寄存器的触发，操作才能生效。因此在执行完命令时，应在最后加上：ISP_TRIG = 0x46;ISP_TRIG = 0xb9;使其触发，命令生效。根据此流程，依次实现对EEPROM中内容的读字节操作；字节编程操作；扇区删除操作。例如扇区删除操作的编写流程：void ISP_ERASE(Address)ISP_ADDRL = Address;ISP_ADDRH = Address 8;/首先找到要操作的地址ISP_CONTR = 0x81;/设置为允许对Flash编程ISP_CMD = ISP_SECTOR_ERASE;/执行擦除扇区操作ISP_TRIG = 0x46;ISP_TRIG = 0xb9;/触发命令4.3初始化LCD的过程首先介绍一下LCD的连线：在本设计中各个引脚的对应定义如下：在对引脚绑定之后，就是对各个信号的处理，不同的引脚在芯片上有不同的功能。各引脚介绍如下表：SDIN串行数据输入口SCLK串行时钟输入端D/C数据、命令SCE芯片使能OSC振