MP3播放器设计方案

1 放器设计方案 题背景 随着数字编解码及压缩技术的发展，语音文件也朝着高压缩比、高保真的方向发展，从 携式 放器作为一种集音频播放、数据存储为一身的数码产品，其功能结构为电子设计人员所津津乐道。 1 音频简称。 音频 (72 3)是目前普遍应用的音频压缩标准，其中层 算法最为复杂，但压缩比最大，效果也最好，在低码率的条件下基本能达到 用尽可能低的码流实现 果对于一段声音不进行压缩的话，那么每存储一秒钟的立体声 是个十分大的开销。通过运用 频标准的压缩技术，我们可以把存储空间压缩到原来的 1/12而不会降低声音的音质。即使使用 1 24的压缩因子，仍然比单纯降低采样率的音质要好。低数据量和高播放品质的优点使其成为音乐存储、数字广播、网上音乐传输的主要方式。人们不仅可以使用计算机软件，还可以通过数字随身听来欣赏音乐。 在这种数字化潮流下，嵌入式系统已成为当前研究和应用 的热点之一，嵌入式手持设备的视音频多媒体应用也越来越广泛。由于嵌入式系统的应用要求及成本因素决定了嵌入式系统在系统资源 , 包括硬件资源和软件资源方面都是非常精简和高效的 内外研究现状及意义 称是 ， 狭义的讲就是以 标准压缩编码的一种音频文件格式。在 泛普及的今天， 流行的音乐格式了。将 式的音乐数据压缩成 效相差无几（除非你有很好的音响和鉴赏力 ），文件大小至少可以压缩12倍（每首 050自韩国世韩 (司 1998年推出世界上第一台 身听以来， 错的近乎于 卫的功能，越来越受到消费者的青睐，也就成为业界甚至大众媒体关注的0710617114 基于 张蓝凯 物理与电子信息工程系曾繁政 讲师 2007 级 电气工程及其自动化 2011 03 11 张蓝凯 基于 放器设计 2 一个热门话题。它的记录媒介是芯片或卡，无需转动部件，彻底摆脱了磁带和光碟的束缚，因而，抗震和节电性能更好。在市场消费刺激下，各大公司纷纷推出了自己的放器产品， 应商提供了众多的 码芯片及其解决方案。除了 15)、 还有台湾创品方案 (33520)、美国 案 ( 决方案。这使 放器的研制与生产变得更加容易，成本也大大降低，市场更加广阔 。 2 系统硬件设计 计目标 本论文是基于 文中将涉及到： 应用， 码的实现原理及其解码芯片的应用指南， 的数据存储结构及其各种文件系统的区别， 预期将能实现在 晶上对 计方案对比 制器方案 方案一：此方案采用 89片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是 89外接模数转换器来满足数据采样。如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现也较麻烦。另外， 51 单片机需要用仿真器来实现软硬件调 试，较为繁琐。 方案二 :此方案采用 片机实现，此单片机内置 8 路 2 路 集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用 现语音播放相对方便。但 516 位的处理器芯片，较低的闪存，使得功耗比较大，处理速度比较慢，工作效率比较低，存储量受到限制。 方案三：此方案采用 使用高性能的 2位的 核，工作频率为 72置高速存储器 (高达 128K 字节的闪存和 20K 字节的 丰富的增强型 I/O 端口以及包含 2个 12 位的 3 个通用 16 位定时器和一个 时器。使得处理速度大大提高，机器功耗大大降低，整体性能得到很大提 3 高。 32位的处理器使得控制更加稳定、迅速，窗口型看门狗，使得程序运行更加高效。另外，比较方便的是该板支持硬件仿真，通过 真器可以方便实现在线逐步调试，这大大方便了系统的开发与调试工作。 基于 功耗，方便调试等特性，故选择方案三。 码方案 方案一 : 此方案采用软解 接用软件解码。节约了硬件成本，但代码复杂，编程难度较 高，工作量极大，而且对控制器的处理速度和资源要求都比较高。 方案二：此方案采用硬解 接用音频解码芯片解码。它使用高性能的 码芯片，功能强大而且价格便宜， 持 诸多音频格式，音质可与市场上中档 基于上述比较，故选择方案二； 示模块方案 方案一：此方案采用 成数据显示。 可以显示简单的中英文字符，功能和设计的成本都比较低！ 方案二 ： 此方案采用 既可以显示中 英文字符，也可以显示图片。但其图案分辨率较低，而且只能显示单色字符。 方案三：此方案采用 既可以显示彩色数字、中英文字符和图案，还可以加上触摸屏模块，实现 基于 选择方案三。 存介质方案 方案一：此方案采用直接将 件存放在控制器的内部 存器中，读取速度快，操作简单方便。但是，相比于 51,单片机，虽然 着很大的内部 还是不能完整的保存一首 方案二：此方案采用 存 大的提高了储存容量。 方案三：此方案采用 来储存 件。采用 讯方式的 不仅读取数据的速度快，而且具有小体积，大容量等特点。 根据本人的实际情况，故采用了方案三。 张蓝凯 基于 放器设计 4 统设计原理 本设计由 小系统， 的读取模块， 制模块，外扩 块，触摸屏模块，串口通信模块组成。将要解决 的读取及使用 统对 的操作、 有 图形用户界面 件系统方框图如图 2 基本设计流程是使用 微控制器，采用 件，并控制 码芯片对 件进行解码播放，并在 晶上显示实时播放情况。 图 2硬件系统方框图 央处理器工作原理 在 司最新推出的基于 系架构的处理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计。 构采用了 是在 且保持了对现存 决方案完整的代码兼容性。 术比纯 1%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比 8%的性能。 在中断处理方面， 成了嵌套向量中断控制器 以配置 1240摸屏 频解码 外扩 口 通信 5 个带有 256个优先级、 8 级抢占优先权的物理中断，为处理器 提供出色的异常处理能力。同时，抢占（ 尾链（ 迟到技术（ 使用，大大缩短了异常事件的响应时间。 常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性。 理器的跟踪调试是通过调试访问端口(实现的。 串行 许 用。其中 现低成本跟踪调试，避免使用多引脚进行 全面支持 试产品。此外 具备高度集成化的特点，大大减小了芯片面积，内部集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间，使系统满足下一代产品的控制需求。其引脚分布如图 2 图 2控制器引脚分布图 频解码芯片 一个单片 频解码器和 码器。它包含一个高性能，自主产权的低功耗 理器核 作数据存储器，为用户应用提供 5指令 数据 行的控制和数据接口， 4 个常规用途的 I/O 口，张蓝凯 基于 放器设计 6 一个 有一个高品质可变采样率的 立体声 有一个耳机放大器和地线缓冲器， 芯片原理图如图 2其具体特性如下： （ 1）能解码 和 频层 ； 产生 件。 （ 2）对话筒输入或线路输入的音频信号进行 码。支持 。 （ 3）高低音控制，低功耗，单时钟操作 12 13部 相环时钟倍频器。 （ 4）内含 高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差。内含能驱动 30 欧负载的耳机驱动器，模拟，数字， I/O 单独供电。 （ 5）为用户代码和数据准备的 上 行的控制，数据接口，可被用作微处理器的从机。 （ 6）特殊应用的 导，供调试用途的 口，新功能可以通过软件和 4 加。 图 2阻式触摸屏 阻式触摸屏由 示屏、驱动 制 触摸屏、触摸屏控制器 (等 组成。 本设计采用的 示屏是 40*32026 万色彩屏模块 ,支持 持 持 16 位 /8位模式，模块可以 180度任意旋转使用。 7 20通道的源极驱动器，一个 320通道门驱动器， 172，800字节数据 驱动 240 电阻式触摸屏工作原理如下：电阻式触摸屏利用压力感应进行控制，它的主要部分是一块与显示器表面配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面图有一 层透明氧化金属导电层，上面盖有另外一层氧化金属导电层，在他们之间有许多细小的（小于 1/1000 英寸）透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触并计算出（ X， Y）的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。 图 2阻式触摸屏的原理图 触摸屏控制芯片为 一个内置 12 位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压 V，参考电压 1 V+换电压的输入范围为 0 高转换速率为 125 引脚功能如表 2示。 表 2张蓝凯 基于 放器设计 8 图 2 （ 一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件， 系统采用 小节仅简要介绍在 件格式，按照其不同的特点和作用大致可分为 5 部分： 、 、 和 。由于 一般不做引导盘，一般也不分区，因此通常无 接从 面对后面四个区分别作简介： （ 1） 内容 为系统引导记录，它包括一个引导程序和一个被称为 本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当 断本分区根目录是否有操作系统引导文件，如果有则将其读入内存，并把控制权交给该文件。 束扇区、文件存储格式、根目录大小、 配单元大小等重要参数。 （ 2） 该区内容为文件分配表， 件分配表反映了 过查文件分配表可以得知任 一簇的使用情况。对于 说， 每项占用两个字节。 的第一项通常为 于其它 9 项，若其值为 0000它值则指示下一个簇的簇号。 （ 3） 该区的内容为文件目录表， 件夹）当作一个特殊的文件来处理， 际上可以看作是一个存放其它文件（文件夹）入口参数 的数据表。因此，目录占用空间的大小并不等同于其下所有数据的大小，但也不等于 0，通常是占很小的空间。其具体的存储原理是：不管目录文件所占空间为多少簇，一簇为多少扇区、多少字节；系统都会以 32个字节为单位，进行目录文件所占簇的分配。 （ 4） 该数据区存放文件的内容， 所占用的空间绝大部分为此部分。如果文件长度大于一个簇的大小，需要多个簇存放该文件，这些放通过 示 图 2主要引脚和功能为： 钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率可在 0 25间变化， 的总线管理器可以不受任何限制的自由产生 0 25频率。 向命令和回复线，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之前命令的回答 ，回复可以来自单卡或所有卡； 3：数据线，数据可以从卡传向主机也可以从主机传向卡。 张蓝凯 基于 放器设计 10 以命令形式来控制 的读写等操作。可根据命令对多块或单块进行读写操作。在 式下其命令由 6 个字节构成，其中高位在前。 共支持三种传输模式： 式（独立序列输入和序列输出）， 1 位 式（独立指令和数据通道，独有的传输格式）， 4位 用额外的针脚以及某些重新设置的针脚。支持四位宽的并行传输）低速卡通常支持 0400 千比特 /秒数据传输率，采用 1位 输模式。高速卡支持 0 100 兆比特 /秒数据传输率，采用4位 持 0 25 兆比特 /秒 ，采用 1位 3 系统软件设计 统软件开发平台 列微控制器采用 司最新的 核。 司推出的最新的针对微控制器应用的内核，提供业界领先的高性能和低成本的解决方案，将成为 用的热点和主流。但是目前能够支持 构的开发工具很少，包括 本 次设计的软件平台是建立在软件 11 序设计流程图 图 3序设计流程图 本系统的程序设计流程图如图 3示，工作过程大致为： 过从 中读取 件，将所读取的数据流发送到 码器中解码播放； 摸屏则用于显示歌曲的实时播放状态、歌词的显示、功能按扭和控制歌曲的快进，快退，停止等。 模块软件系统设计 动程序 1、 始化的一般流程如下： （ 1）硬复位， 0; （ 2）延时， 1； （ 3）等待 高； （ 4）软件复位： 0开始 系统初始化 始化 触摸屏初始化 初始化 始化 放程序 触摸屏按下 ? 播放模式设置 读取触摸屏数据，实行相应操作 张蓝凯 基于 放器设计 12 （ 5）等待 高（软件复位结束）； （ 6）设置 采样率： 0样率，立体声 ; （ 7）设置重音： 0（ 8）设置音量： 0（ 9）向 送 4 个字节无效数据，用以启动 送； 2、 放 一般流程如下： （ 1）打开一个 指定的 件； （ 2）发 32 个字节的数据到 （ 3）检测 高时发下一个 32 字节的数据； （ 4）是否发完 32 个字节，否，则回到第 3 步 ; （ 5）是否发完打开的 件，否，则回到第 2 步； （ 6）关闭打开的 文件； u8 (* (u8 ( /初始化 /硬复位 /软复位 /设置 播放模式等 /试 /正弦测试 /得到解码时间 /得到比特率 ( /加载频谱分析代码 p); /得到分析数据 示屏驱动程序 驱动 3 如下： （ 1） 向 （ 2） 如果返回的数据为不是 0驱动 止初始化。 （ 3） 如果返回的数据为 0向相应的寄存器写入默认的数据，启动驱动 （ 4） 拉低片选信号 写 着写入要写的数据。 （ 5） 写结束后再将 /写开始 /写结束 x0, /设置 SA,EA,SA, /设置一个 / /x0,x1,y0,y1, x0,x1,y0,y1, /清屏函数 x, y, /画点函数 x,y,_*16英文字符 x,y,_ x,y, x,y,_ x,y,*16中文字符 x,y, x,y, 张蓝凯 基于 放器设计 14 x,y, /显示图片 D 卡驱动程序 1、驱动模选择 上电时，如果 地， 进入 式， 高电平，将进入 送 送 1信息。 2、初始化 进入 式后，发送 位 。由于处于 式， 此时不会回复信息。发送命令的时候需要注意 同的状态只能响应待定的命令，下面为初始化命令发送流程： （ 1） 位卡。 （ 2） 户命令。 （ 3） （ 4） 默认地址获取 D。 （ 5） （ 6） D。 （ 7） （ 8） 户命令。 （ 9） （ 10） （ 11） （ 12）初始化完成。 3、发送 不同的 基本命令都是支持的。详细 支持哪类命令要从 一步主要为读，写，擦这三个功能。读 4、退出 如果总线上挂有多个 需要用 令退出当前 面选择其他的操作。 令为选择卡或取消卡，在初始化的时候发送 令， 将进 15 入数据发送模式，在数据模式里发送 要注意的是，在数据模式里不同的状态只支持特定命令。 / /等待 u8 u8 /发送一个命令 u8 u8 /初始化 u8 ( /读 ID /读 SD /取 /读一个 /写一个 u8 /读多个 u8 /写多个 系统调试 行过程 （ 1）使用 译程序生成相应的 （ 2）使用串口线将板子的串口与 置启动方式，将 高电平， （ 3）打开 单片机在线编程专家，加载 成的 件 ,将程序烧录到控制器中。 （ 4）设置启动方式，将 低电平。 （ 5）复位一下硬件，即可进入 （ 6）插上耳机，即能听到美妙的音乐。 张蓝凯 基于 放器设计 16 计过程遇到的困难和问题 件方面 在本次设计中，由于首次用到 设计 到了各种各样的困难和问题。例如：由于设计的原理图很大，如果把所有的元件都画在同一张原理图上，那么将会显得非常的杂乱，烦琐。在这里我使用了层次图的设计方法，把子模块各放到一个层中设计，在顶层中再把子模块连接起来，不仅使设计显得更加直观，而且利于模块之间的移植。还有，层之间的元件重叠，不显示绿色报错。 在设计中第一次用到贴片元件，也是本次设计中的一次挑战。经过多次尝试努力，终于找到了焊接贴片元件的诀窍： （ 1）首先将元件小心地放到 其与焊盘对齐，要保证芯片的放置方向是正确的。 （ 2） 将烙铁头尖沾上少量的焊锡，在两个对角位置的引脚上加少量的焊锡，使芯片固定而不能移动。 （ 3）在焊完对角后重新检查芯片的位置是否对准，如有必要可进行调整或拆除并重新在 （ 4）在 拖焊作准备。 （ 5）把 45 度角斜放或立起来，以保证焊接过程中，熔化的焊锡能顺利流动。 （ 6）从上到下，顺势来回拖动烙铁头，使焊锡与贴片 （ 7）检查无虚焊，无短路后，用硬毛刷浸上酒精沿引脚方向仔细擦拭，直到焊剂消失为止，即可完成焊接。 在完成焊接工作之后，上电调试时，发现系统非 常不稳定。由于硬件系统上没有接有 能在 以只能在程序中的每一个子初始化函数中加入一个串口测试程序，结果发现程序死在 经过几个日日夜夜的努力之后，正当我准备要放弃，重新做板子的时候，无意之间手碰到了 统又恢复正常了。通过与主控制器的晶振接法作比较后，在 统就可以正常工作了。 17 件方面 在首次驱动 ，声音总是断断续续的。在逐步检查，排除了晶振的频率，速度， 制器的处理速度之后，发现原来是在写入数据之后没有等待 脚为高电平，就继续写入数据。在加入 =0); /等待 这一条语句之后，就能正常的播放音乐了。 5 总结 通过这次毕业设计的研究与制作，让我了解了 及在 储方式的基础上，针对 模块部分，包括主控制芯片及音频解码芯片、 模块、以及 摸屏等部分的分和互相协助配合下，完成了电路原理图以及 作，焊 接与调试电路板，然后是软件编程实现功能。尽管该方案无法作为一个通用 方案，但是对于某些音频需要的工业控制、汽车电子、医疗电子等方案具有一定的参考性。 虽然在这次设计中还存在许多不足 ,但是通过这次毕业设计 ,我掌握了很多硬件、软件等方面的知识，也学会了很多课本上没有的东西，这为我以后更深入的学习打下了良好的基础，同时也对我今后到社会工作中的发展很有帮助。 6 参考文献 1 李宁 理器开发应用 M20082 宋岩译 M2009 3 王永虹 ,徐炜 ,郝立平 列 控制器原理与实践 M20084 谭浩强 三版） M20055 美 克尼汉 ,美 里奇 ,徐宝文，李志译 序设计语言（第 2 版新版） M20046 陈正冲 言深度解剖 M2010张蓝凯 基于 放器设计 18 7 李宁 发工具 用入门 M20088 胡仁喜 入门到精通 M. 机械工业 出版社 附 录 图 7 19 图 7张蓝凯