mp3随声听的设计.doc

建东职业技术学院毕业设计（论文） MP3随声听扩音器的设计摘 要随着科学技术的发展，带数字语音功能的嵌入式终端类产品在日常生活中得到了广泛的使用，这也促进了与该功能相关的数字音频压缩技术的发展，在数字音频压缩技术中，MP3以其优异的性能得到了广泛的使用。现在，具备MP3功能已成为嵌入式终端类产品的发展趋势之一。本文就如何在嵌入式终端上实现MP3功能做了相应的研究。本文是在以Atmel公司的AT89C51SND1C为核心处理器的嵌入式终端上实现MP3功能。此芯片是基于C51内核，方便代码的编辑与调试，且片内自带MP3硬件解码单元与USB控制单元等，这样降低了硬件设计难度。整个系统用NAND FLASH来存储MP3文件，使用USB与USB HOST进行文件交互，用URAT与PC机进行通信。文中比较详细的介绍了该系统硬软件实现方法。关键词：MP3；USB通信；AT89C51SND1C1目 录前 言12.1系统设计方案42.2 硬件平台的设计与构建42.2.1 控制器AT89C51SND1C42.2.2 NAND FLASH K9F560852.2.3数模转换器WM875972.2.4 USB部分电路82.2.5 电源管理单元8第3章 系统软件开发平台的构建103.1 软件模块103.2 各单元流程图103.3 编译调试环境11第4章 USB批量传输方式的建立134.1 USB概述134.2 USB海量存储设备134.3 BulkOnly传输协议134.4 U盘的工作过程14结论15致谢16参考文献17 I前 言一、研究背景从1998年，韩国世韩(SEAHAN)公司推出了世界上第一台MP3播放器到现在，MP3播放器逐步成为电子市场上的热销产品，受到广大音乐爱好者的欢迎。MP3（MPEG Audio Layer 3）是采用国际标准MPEG（Moving Pictures Experts Group，动态图象专家组）中的第三层音频压缩模式，对声音信号进行压缩的一种格式。MPEG声音压缩算法是一种通用的声音编码技术，它对音源的性质没有作任何假设，而是利用人耳的听觉特性对声音进行压缩。MPEG音频层根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层，即Layer-1、Layer2、Layer3，且分别对应MP1、MP2、MP3这三种声音文件，并根据不同的用途，使用不同层次的编码。MPEG音频编码的层次越高，编码器越复杂，压缩率也越高，MP1和MP2的压缩率分别为4：1 和6：1-8：1，而MP3的压缩率则高达10：1-12：1。也就是说，一分钟CD音质的音乐，未经压缩需要10MB的存储空间，而经过MP3压缩编码后只有1MB左右。 随着社会经济的发展，在信息家电和行业应用手持信息设备等信息终端类产品中，具备MP3功能已成为此类产品的发展趋势之一。如我们常见的智能手机、电子词典、PDA一般都具有MP3的功能实现。在嵌入式系统领域，MP3功能得到了广泛应用。在嵌入式系统中，MP3的实现方法分为软件和硬件两大类。软件实现方法及利用软件来实现MP3的解码，解码后的数据信号经DAC（Digital-Analog Converter，数模转换）处理后变为音频模拟信号。硬件解决方案分为专用解码芯片解决方案、基于DSP（Digital Signal Procrssor，数字信号处理器）的解决方案和单片SOC（System On Chip，片上系统）方案三大类。二、主要研究工作MP3在软件解码过程中需要消耗处理器大量的运算能力，要完成MP3的实时解码，处理器的运算能力必须大于5MIPS，这就要求应用系统必须使用系统主频较高的高性能处理器才能胜任。基于硬件解码的解码方案，一般采用专用解码芯片和DSP处理器来实现。然而它们只涉及到MP3的解码问题，对于其他一些问题，如MP3存储空间、MP3文件的同步方式等都没有考虑。在目前的应用中， MP3的存储空间逐渐扩大，并且一般采用USB方式与PC主机或其他外设进行通信，这就需要外挂USB控制芯片来完成，从而使系统的复杂性增大。单片SOC方案为近期才出现的一种MP3解决方案，其把主控处理器、DSP或解码芯片和其他辅助功能模块集成在同一芯片上，自成体系，增加少量元件就能构成一完整的MP3播放器，其典型代表为Atmel的AT89C51SND1C，该芯片以51内核为基础，内部集成了MP3硬件解码模块，并提供了完备的支持功能如MMC（Multi Media Card，多媒体卡）控制器、USB控制器等模块，可方便地应用于PDA、车载音频等系统。Atmel的AT89C51SND1C 作为8位单片机，以其高的性价比在信息终端产品中有着广泛的应用。通过以此类处理器为核心的系统，熟悉MP3编码解码的原理，并且实现MP3播放器的最小系统的设计，对于我们在语音处理，嵌入式系统等领域的学习具有非常重要的作用。同时，在MP3的设计与实现的过程中，电子产品的设计思想和开发流程也是我们学习和研究的重要内容。本设计主要包括硬件部分与软件部分。由于MCU处理器带有MP3硬件解码单元以及USB控制单元，从而大大地简化了硬件的设计难度。在MCU的基础上加上电源管理单元，FLASH存储单元，键盘数据输入单元，LCD显示单元，DAC音频输出单元等就可以搭起一个基本的MP3播放器硬件平台。在硬件的设计过程中，我们主要考虑如何降低设计电路的功耗。通过合理选择芯片以及相关器件来实现该目标。在软件实现部分，借鉴了嵌入式系统的软件设计思想，着重考虑了软件的稳定性和可重用性，并大大丰富了系统的其他功能。三、本文主要结构本文主要是在AT89C51SND1C控制器基础上实现MP3功能。在第二部分中对MP3文件格式做了简单的介绍。在文章第三部分中对整个系统以及设计流程方法做了简单的介绍，具体包括硬件电路的设计与实现，软件开发过程中的主要功能模块流程图，开发环境的建立软件调试等。第四部分详细介绍了具体功能实现过程，主要包括文件系统的建立与实现、USB批量传输方式的建立、MP3文件解码功能的实现。在文章最后一部分，对整个系统性能进行了测试，做出了相应的分析。第1章 MP3文件格式MP3文件大体分为三部分：TAG_V2(ID3V2)，Frame，TAG_V1(ID3V1) ，帧（Frame）是MP3 文件最小的组成单位，其文件结构如表1.1.1所示。表1.1.1 MP3文件结构ID3V2包含了作者，作曲，专辑等信息，长度不固定，扩展了ID3V1 的信息量FrameFrame一系列的帧，个数由文件大小和帧长决定每个FRAME 的长度可能不固定，也可能固定，由位率(bitrate)决定每个FRAME 又分为帧头和数据实体两部分帧头记录了mp3 的位率，采样率，版本等信息每个帧之间相互独立ID3V1包含了作者，作曲，专辑等信息，长度为128字节从MP3文件中首先得到的是ID3V2，每个ID3V2的标签都由一个标签头和若干个标签帧或一个扩展标签头组成，关于曲目的信息例如标题作者等存放在不同的标签帧中，扩展标签头和标签帧并不是必要的，但每个标签至少要有一个标签头。标签头和标签帧一起顺序存放在MP3文件头部。每个Frame都有一个帧头FRAMEHEADER，长度是4Bytes（32bit），帧头后面可能有两个字节的CRC 校验，校验是否存在决定于FRAMEHEADER信息的第16位，为0则帧头后面无校验，为1则有校验，校验值长度为2个字节，紧跟在FRAMEHEADER 后面，接着就是帧的实体数据了，格式如表1.1.2所示。表1.1.2 帧结构FRAMEHEADERCRC（free）MAIN_DATA4 Byte0 OR 2 Byte长度由帧头计算得出在FRAMEHEADER中，包含了MP3文件的重要信息，例如：同步码MPEG Audio versionLayer descriptionBitrate indexSampling rate frequency index等，其中很多信息与MP3的播放关系非常密切。它们的具体定义请查看相应资料。无论帧长是多少，每帧的播放时间都是26ms。帧大小可由下公式算出：FrameSize = (MPEG_Version = MPEG1 ? 144 ：72) * Bitrate) / SamplingRate) + PaddingBit。MAIN_DATA部分的长度是否变化决定于FRAMEHEADER的bitrate是否变化，一首MP3歌曲，它有三个版本：96Kbps、128Kbps 和192Kbps。Kbps表明了音乐每秒的数据量，Kbps值越高，音质越好，文件也越大。大多数MP3文件都是不变bitrate的。16第2章 系统硬件开发平台的构建2.1系统设计方案整个系统由以下单元构成：控制器（AT89C51SND1C）单元NAND FLASH（K9F5608）存储单元USB文件同步单元UART通信接口LCD显示接口电源管理单元DAC（WM8759）单元等。结构框图如图2.1.1所示。控制器单元NAND FLASHUSBDACUART接口耳机LCD接口电源管理单元图2.1.1 系统结构框图在整个系统的硬件设计中，由于控制芯片AT89C51SND1C内部集成有MP3硬件解码单元USB控制器等，使得硬件设计难度有所降低。2.2 硬件平台的设计与构建2.2.1 控制器AT89C51SND1CAT89C51SND1C是美国Atmel公司出产的MP3播放专用芯片，此芯片有如下特性：(1)C51内核，可以用Keil软件在它上面进行项目开发，无需特殊软件平台；(2)MPEG I/II-Layer 3 hardware decoder。独立的MP3解码单元，在解码MPEG1 Layer-3数据时，支持4844.1和32KHz的采样频率，对于MPEG2 Layer3数据，支持2422.05和16KHz的采样频率。解码单元支持软件31阶音量控制高中低音均衡控制重低音效果；(3)提供PCM，IIS格式的音频数据；(4)64K字节片上代码存储空间（10万次擦写寿命）；(5)4K字节boot flash memory，可以USB或者UART下载代码到片内闪存中；(6)芯片内包含2304字节的RAM空间，可用作MP3解码的缓冲区；(7)集成USB1.1控制部件；(8)提供MMC卡接口；(9)提供IDE/ATAPI接口（HDD/CD-ROM Interface)；(10)2通道ADC，8Khz取样7。在本设计中，AT89C51SND1C的系统时钟采用的是20MHz，由外部晶振来提供，经片内的PLL电路后产生其他部分所需的工作频率。C51内核通过片内的8位总线和其它模块连接，芯片内不包含音频DAC模块，解码后的MP3数据以IIS或PCM的格式经音频接口模块向外输出，该系统使用WM8759芯片作为外接的音频DAC，由于WM8759内部带功放，所以其输出的模拟音频信号可以直接输出至耳机还原MP3声音。该芯片有4个I/O口专门用来接按键的，可以产生按键中断。在芯片内部，这几个引脚都有上拉电阻，所以在芯片外不用在接上拉电阻。具体电路如图2.2.1所示。 图2.2.1 按键电路 图2.2.2 晶振电路图2.2.3 控制器部分电路图2.2.2 NAND FLASH K9F5608K9F5608是韩国三星公司生产的32M容量的NAND Flash芯片，由于该芯片的使用简单以及较高的性价比，所以它得到了广泛的应用。由于AT89C51SND1C单片机内部没有NAND FLASH控制器，所以只能通过IO端口来完成对该芯片的读写时序的模拟。该芯片有8位数据/地址复用接口和 CLE、ALE、WP、R/B、CE等控制信号，硬件接口比较简单，但读写时序相对较复杂，需要依次送入命令，地址，数据等。K9F5608容量为32MBytes，需要25位来寻址。且地址的A8位在芯片内部，用于选择每个Page的左半部分或者右半部分，由芯片完成，硬件设计时不用考虑。所以，实际需要输入的地址为24位。由于该芯片与控制器的接口是8位地址数据复用线，所以需要3个周期才能够输入完24位地址的输入。 K9F5608共有2048个Block，每个 Block 包括32个Page，每个Page则包含（512+16）Bytes，其中的512 Bytes是基本空间，用于存放用户数据，另外的16Bytes是扩展空间，一般用来存储校验码page的相关信息等。NAND FLASH 最小读写操作单位是页，而擦除是以块为单位进行的。图2.2.4 FLASH部分电路图由于AT89C51SND1C单片机内部没有NAND FLASH控制器，所以只能通过I/O端口来完成对该芯片的读写时序的模拟以及数据的传输。在本系统中，用控制器的P0口来完成对FLASH数据地址与命令的传输；用控制器的P5口来完成对FLASH传输状态的选择，如CLE、ALE、R/B、CE等；控制器的WE，RD信号来选择FLASH是读还是写。在I/O口上，传输的一般顺序为：命令-地址-命令/数据。该芯片的连接电路如图2.2.4所示。2.2.3数模转换器WM8759WM8759是WOLFSON出产的一款集成了耳机驱动器的高性能立体声数模转换器，专门为诸如便携式DVD、MP3播放器或带有线路输出和耳机输出连接的消费类设备的音频应用而设计。WM8759支持的数据输入字长范围为16-24比特，最高采样率达192kHz。WM8759由一个串行界面端口、数字插补滤波器、多比特sigma delta调制器和立体声数模转换器组成，采用14接脚SOIC封装，硬件控制接口被用于音频数据接口格式的选择，确保了加重和去加重。WM8759支持IIS、右对齐或数字信号处理器接口。该芯片的的内部框图如图2.2.5所示。图2.2.5 WM8759内部结构 图2.2.6 WM8759电路图在WM8759芯片中，BCKIN是数据位时钟输入LRCIN是采样率时钟输入DIN是串行数据输入MCLK是系统的时钟输入；FORMAT是一个输入数据格式选择脚，当其为高电平时，输入数据为16-24-bit IIS or DSP early格式的数据,当其为低电平时，输入数据为16-bit right justified or DSP late格式的数据；ENABLE是控制芯片工作与否的引脚,当该引脚上有一个上升沿时，触发芯片工作，进入POWER ON模式，当该芯片引脚上有一个下降沿时，触发该芯片停止工作，进入POWER DOMN模式；DEEMPH为加重模式（对频率的一种处理）的选择，高电平加重开，低电平加重关。该芯片的连接电路如图2.2.6所示。2.2.4 USB部分电路USB 接口的两个引脚USBD+和 USBD-就是单片机内部 USB 部件的差分信号输入输出引脚，该引脚必须串接上一个大约22欧的电阻，这是为了正确匹配特定传输线的阻抗。当USB配置为全速数据传输时，USBD+必须接一个大约1.5K欧的上拉电阻。USB_INS定义的是单片机的IO端口 P3.4，用来检测 USB 电缆上的 5V电压，判断是否插入 USB 电缆，以决定是 U盘功能还是 MP3功能5。电阻R9和R10是用来分压的，使得在控制器的I/O口上有一个合适的电压，以不至于损坏芯片。图2.2.7 USB连接电路图2.2.5 电源管理单元在整个系统中，由于既有USB供电，由于电池供电，所以电源电路有两个。当该系统为U盘功能时，用的是USB供电，且USB提供的电压为5V左右，是高于了整个系统所要求的电压值的，所以我们需要一个稳压电路来降低电压值，以备系统使用。在该系统中，用的是精工的S-1131系列的稳压芯片。该系列芯片是使用 CMOS 技术开发的低压差，高精度输出电压，低消耗电流正电压型电压稳压器。由于内置有低通态电阻晶体管，因而压差低，能够获得较大的输出电流。为了使负载电流不超过输出晶体管的电流容量，内置了过载电流保护电路。S-1131B36UA是该系列中，稳压输出值为3.6V的芯片，由于输出还要经过一个肖特基二极管IN5817,会有一定的压降，使得该电路的输出电压基本上满足系统要求。在该电路中，IN5817的作用是为了预防电源接反而设置了，有了这个二极管，电路更加安全可靠。稳压部分的电路连接图如图2.2.8所示，图中电容起滤波的作用。图2.2.8 稳压电路 当该系统为MP3播放功能时，采用的是电池供电，一个或者两个电池的电压是小于系统所要求的电压的，所以，这里我们学要一个升压电路来满足系统要求。在该系统中，用的是精工的S-8358系列的DC-DC。该系列芯片是使用 CMOS 技术开发的低压差，高精度输出电压的DC-DC。它能够为系统提供较大的电路以及较高的效率。该芯片的电路连接如图2.2.8所示。电路中，J2为电源插槽，J3为开关，电容是用来滤波的，IN5817在电路中起保护作用。S-90N0332SUA是一个N沟道的场效应管，该芯片起为DC-DC电路提供外接转换的作用。图2.2.9 升压电路第3章 系统软件开发平台的构建3.1 软件模块根据系统功能的构成，软件可分为主函数、MP3 播放单元、USB通信单元等主要结构，而提供支持的则有文件系统和 Flash读写程序。还有用于交互的串口通讯、LCD显示、键盘控制等程序。整个系统的软件模块如图3.1.1所示：主函数USB通信单元显示单元MP3播放单元串口通讯FLASH读写按键控制文件系统图3.1.1 系统软件模块3.2 各单元流程图图3.2.1 主函数流程图对于USB通信部分，首先应对AT89C51SND1C单片机的USB硬件进行设置，然后等待状态的发生，其流程图如图3.2.2所示：在配置阶段，端口0产生中断，响应USB总线的标准请求，在USB标准请求中，Set_address，Set_configration和Get_descriptor请求是设备必须响应的，而其它请求设备可以不做响应。在数据传输阶段，主机通过Buck-IN端口读取U盘中的数据，当数据传输完成以后，此端口会产生中断，该中断处理函数需要清除传送结束标志，发送CSW状态字等。端口2（Buck-OUT）产生中断，表示接收到CBW状态字，调用相应函数完成对该状态字的解析（如命令码扇区地址数据长度等信息），执行命令码中所涉及的功能，例如：要求设备返回设备信息从设备中读取数据向设备中写数据等。图3.2.2 USB功能流程图 在MP3播放程序的设计中，首先应完成与 MP3 播放有关的时钟设置MP3 解码器初始化和音频部件初始化等，然后是相应信息的读取，最后向硬件解码单元中送数据，完成数据的解码。3.3 编译调试环境在本设计中，用Keil C来完成对软件代码的编辑编译查错链接生成目标代码等。用到的其他软件还有：Flexible In-System Programmer，WinHex，串口调试助手等。Flexible In-System Programmer是Atmel公司提供的一款系统在线编程软件，由于AT89C51SND1C内部带有bootloader，可以用这个软件通过USB或者串口向AT89C51SND1C中的FLASH固化程序；WinHex是一款16 进制文件编辑与磁盘编辑软件，用它可做 Hex与ASCII码编辑修改，多文件寻替换功能，一般运算及逻辑运算，磁盘磁区编辑（支持FAT16、FAT32和NTFS）自动搜寻编辑，文件比对和分析等功能，有了它，能够很方便的查看文件系统中各部分的情况，能够更深的了解文件系统中相关的定义；另外，串口调试助手是用于串口的显示以及PC机对单片机控制的；在系统没有LCD的情况下，可以用它实现显示功能，且也可以用它来实现对系统代码的调试，另外，也可以用它来控制播放器的播放状态，实现远程控制功能；值得注意的是本设计中串口所用波特率为9600bps。上面软件详细使用方法，大家可以查询相关资料进行了解。第4章 USB批量传输方式的建立4.1 USB概述USB (Universal Serial Bus)，它是由Compaq、HP、Intel、Lucent、NEC、Microsoft和 Philips七家公司联合推出的新一代标准接口总线。该总线是一种连接外围设备的总线，最多可连接127个设备，为微机系统扩充和配置外部设备提供了方便。数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入（即在数据流中每连续6个1后就插入一个0），从而强迫NRZI码发生变化。和其他的一样，USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域，域再构成包，包再构成事务（IN、OUT、SETUP），事务最后构成传输（中断传输、并行传输、批量传输和控制传输）。4.2 USB海量存储设备USB组织定义了海量存储设备类（Mass Storage Class）的规范，这个类规范包括四个独立的子类规范，即： USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport USB Mass Storage Class ATA Command Block USB Mass Storage Class UFI Command Specification前两个子规范定义了数据/命令/状态在USB上的传输方法。CBI传输规范使用Control/Bulk/Interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态传送，而Bulk-Only传输规范仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/状态。后两个子规范则定义了存储介质的操作命令。ATA命令规范用于硬盘，UFI命令规范是针对USB移动存储。Microsoft Windows中提供对Mass Storage协议的支持，因此USB移动设备只需要遵循Mass Storage协议来组织数据和处理命令，即可实现与PC机交换数据。而Flash的存储单元组织形式采用FAT16文件系统，这样，就可以直接在Windows的浏览器中通过可移动磁盘来交换数据了，Windows负责对FAT16文件系统的管理，USB设备不需要干预FAT16文件系统操作的具体细节。4.3 BulkOnly传输协议设备插入到USB后，USB即对设备进行搜索，并要求设备提供相应的描述符。在USB Host得到上述描述符后，即完成了设备的配置，识别出为BulkOnly的Mass Storage设备，然后即进入BulkOnly传输方式。在此方式下，USB与设备间的所有数据均通过Bulk-In和Bulk-Out来进行传输，不再通过控制端点传输任何数据。在这种传输方式下，有三种类型的数据在USB和设备之间传送，CBW、CSW和普通数据。CBW（Command Block Wrapper）是从USB Host发送到设备的命令，命令格式遵从接口中的bInterfaceSubClass 所指定的命令块，这里为SCSI传输命令集。USB设备需要将SCSI命令从CBW中提取出来，执行相应的命令，完成以后，向Host发出反映当前命令执行状态的CSW（Command Status Wrapper），Host根据CSW 来决定是否继续发送下一个CBW或是数据。Host要求USB设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定数据传送出去，完毕后发出CSW，以使Host进行下一步的操作。整个过程的流程图如图4.3.1所示：图4.3.1 USB数据发送流程图4.4 U盘的工作过程插入U盘后，USB主机发出USB标准请求，也就是配置阶段，这时USB设备需要返回正确的设备描述符等，主机可以得知设备的相关信息并对其进行配置，U盘被主机识别为 Bulk-Only的 Mass Storage设备，然后即进入Bulk-Only传输方式，USB设备需要解析C