基于单片机的毕业论文.doc

武 汉 纺 织 大 学 毕业设计 论文 课题名名称 基于单片机的高音质 MP3 设计 完成时间 学院名称 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 指导教师职称 目 录 1 绪论 1 1 1 课题背景简介 1 1 2 课题研究的意义 2 1 3 课题研究的主要内容 2 1 4 本设计的关键词 2 2 系统总体方案分析与设计 3 2 1 系统总体方案设计 3 2 2 几种典型的播放器设计方案 4 2 3 系统工作流程 4 3 系统硬件电路设计 5 3 1 单片机的选择即芯片介绍 5 3 2 音频编解码模块电路设计 6 3 2 1 解码芯片的选择与介绍 6 3 2 2 VS1003 支持的编解码格式支持的编解码格式 7 3 2 3 VS1003 的重要参量容许范围 8 3 2 4 VS1003 单片机接口的设计 8 3 3 音频文件存取模块设计 9 3 3 1 SD 卡的主要特点 9 3 3 2 SD 卡的内部结构 10 3 3 3 SD 卡读写功能的实现 10 3 3 4 SD 卡读写功能的实现 10 3 4 电源电路设计 11 3 4 1 LM7805 稳压芯片 11 3 4 2 AMS1117 稳压芯片 12 3 5 其它电路设计 11 3 4 1 NOKIA5110 的外观与特点 11 3 4 2 NOKIA5110 的引脚及与单片机的连接 12 3 4 3 PCD8544 的特点以及它的指令集 13 3 5 系统电源设计 14 3 5 1 LM7805 特点 14 3 5 2 AMS1117 系列稳压芯片 15 3 5 3 系统电源电路 15 3 6 其它电路设计 16 3 6 1 复位电路设计 16 3 6 2 键盘模块电路设计 17 4 系统软件设计 17 4 1 系统整体软件设计方案 18 4 2 SD 卡中存取文件的实现 18 4 2 1 单片机 的 SPI 接口 18 4 2 2 SD 卡的 SPI 通讯协议 22 4 2 3 FAT32 文件系统的读写的实现 26 4 3 VS1003 编解码模块程序设计程序设计 32 4 4 液晶显示模块子程序设计 34 4 5 键盘模块子程序设计 35 5 系统调试与实际测试 35 5 1 系统的调试 35 5 2 系统的调试结果 37 6 总结与展望 37 6 1 全文总结 37 6 2 课题展望 38 参考文献 39 附 录 41 英文资料 48 中文译文 55 致 谢 60 1 1 绪论 1 11 1 课题背景简介课题背景简介 随着社会文明的不断进步 各种科学技术可谓是日新月异 在 我们生活中 媒体播放器更是层出不穷 其相应的文件格式也纷繁 多样 就音频播放器而言 其常用格式就有 WAV OGGG MP3 WMA ACC APE 等 而 MP3 格式由于压缩后文件 体积小 音质丢失小成为使用最为广泛 最受播放器生产商欢迎的 音频格式 MP3 的全称是 Moving Picture Experts Group Audio Layer III 简单的说 MP3 就是一种音频压缩技术 由于这种压缩 方式的全称叫 MPEG Audio Layer3 所以人们把它简称为 MP3 MP3 是利用 MPEG Audio Layer 3 的技术 将音乐以 1 10 甚至 1 12 的压缩率 压缩成容量较小的 file 换句话说 能够在音质丢失很 小的情况下把文件压缩到更小的程度 而且还非常好的保持了原来 的音质 1 21 2 课题研究的意义课题研究的意义 虽然现阶段的音频技术已发展得相当成熟 市场流行的音频播 放器其功能也远非普通的 MP3 可比拟 但对于比较缺少实际操作能 力的大学生而言 实打实地设计一个播放器是很有必要的 这对于 掌握与巩固所学知识是非常有用的 同时 对提高自身各方面的能 力及培养今后从事这类工作或研究这类技术的兴趣 而 MP3 播放器 相对最简单 于初设计者是很好的选择 1 31 3 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 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 本文设计的是一种基于 SOC 单片机的 MP3 播放 器 利用硬件存储语音文件 并能够从 PC 机下载 从而可以随时 更新 MP3 音乐 要求播放器具有播放 暂停 上一曲 下一曲等基 本功能 并通过显示屏可以查看当前播 1 41 4 本设计的关键词本设计的关键词 关键词 SOC 单片机 解码芯片 D A 转换 电压转换 SD 卡 2 2 系统总体方案分析与设计 2 12 1 系统总体方案设计系统总体方案设计 由于音频信号接入并经过解码后是信号幅度较小的数字信号 故在输出声音之前要先通过 D A 转换并将信号放大 该播放器涉及 音频文件的存储与传输问题 电路需要完成 USB 接口的功能 因此 从功能上 可以将 MP3 播放器划分为以下几个部分 单片机控制部 分 串行通信部分 系统存储部分 音频解码部分 人机接口部分 和电源部分 再根据模块化设计的思想 依次进行硬件及软件设计 这就是我进行本次设计的主体思路 系统总体框图如图如图 1 1 所示 2 22 2 几种典型的几种典型的 MP3MP3 播放器设计方案播放器设计方案 从 MP3 的解码芯片类型 即按其内部的主要芯片类型进行分类 设计方案大体可以分为以下五类 基于分离芯片的 MP3 播放器 基于集成 MP3 功能单片机 MCU 的 MP3 基于定制 ASIC 电路的 MP3 播放器 采用 FPGA 实现 MP3 播放器的方案 基于混合 MCU DSP 器件的 MP3 播放器 几种方案的简要比较 基于分离芯片的 MP3 播放器 模块独立 功能清晰 每个模块 所需的芯片或元件有多种选择 基于集成 MP3 功能单片机 MCU 的 MP3 可以大大减少所需的外围器件 有些单片机集成了 解码功能 如 W9982D W9986D 这样就可以提供丰富的接口功能 其缺点是芯片成本较高 一般只针对批量供货 基于定制 ASIC 电路的 MP3 播放器 其电路集成度高 可降低成本 扩展功能 但 由于它 8KHz 的采样频率限制 难以实现对模拟音乐信号的采集 通 常需要与适配器配套使用 采用 FPGA 实现的 MP3 播放器 成本 很低 可以提供尽可能多的附加功能 并且 该设计方案还提供了 包括 CPU 和 FPGA 门在内的足够多的空闲资源以支持现场升级 而 64MHz 的内核时钟速率能使 RC32364 提供强大的功能 用于处理音 频解码和用户接口性能 C8051F020 控制器 音频编解码 VS1003B 麦克风 耳机 键 盘 模 块 液 晶 模 块 电源模块 JTAG编程接口 SD卡USB模块上位机 图 1 系统总体框图 2 32 3 系统工作流程系统工作流程 1 单片机读取 SD 卡中的音频流 并通过串口将传送给解码芯片 2 解码芯片接受音频流并解码 3 解码后的信号被传给 D A 转换器 转换成强度较弱的模拟信号 4 该小强度模拟信号通过音频放大电路还原出原来的音乐 5 人可以通过键盘控制系统执行相应的命令 显示频上还可以显 示出当前播放歌曲的基本情况 3 3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3 13 1 单片机的选择即芯片介绍单片机的选择即芯片介绍 对于本设计 起控制作用的单片机无疑就是整个系统的核心 由于 SoC 型 C8051F 系列单片机功能较全面 而 C8051F020 是其中的 代表 不仅与标准 8051 的存储器空间资源兼容 它的 CIP 51 内核还 另有位于外部数据存储器地址空间的 4KB RAM 块和一个可用于访问 外部数据存储器的外部数据存储器接口 EMIF 我在设计中选择了 此种芯片作为主芯片 C8051F020 芯片是一种完全集成的混合信号 系统级芯片 其主要特性可以概括如下 1 高速 流水线结构的 8051 兼容的 CIP 51 内核 2 全速 非浸入式的片内系统调式接口 3 真正 12 位 100ksps 的 8 通道 ADC 带 PGA 和模拟多路开关 4 真正 8 位 500ksps 的 ADC 带 PGA 和 8 通道模拟多路开关 5 2 个 12 位 DAC 具有可编程数据更新方式 6 64KB 可在系统编程的 Flash 存储器 7 4352B 的片内 RAM 8 可寻址 64KB 地址空间的外部数据存储器接口 9 硬件实现的 SPI SMBus 和两个 UART 串行接口 10 5 个通用的 16 位定时器 11 具有 5 个捕捉 比较模块的可编程计数器 定时器阵列 PCA 12 片内看门狗定时器 VDD 监视器和温度传感器 C8051F020 的引脚图如图如图 2 2 所示 3 23 2 音频编解码模块电路设计音频编解码模块电路设计 3 2 1 解码芯片的选择与介绍解码芯片的选择与介绍 根据生产解码芯片的半导体公司不同 典型的 MP3 解码芯片有 以下几个系列 MAS STA VS EP W 等 本设计选用的解码芯片 是 VS1003 VS1003 是芬兰 VLSI 公司生产的单芯片 MP3 WMA 音频解码芯片 其 拥有一个高性能 低功耗的 DSP 处理器核 VSDSP 5 KB 的指令 RAM O 5 KB 的数据 RAM 串行的控制和数据输入接口 4 个通用 I O 口 1 个 UART 口 1 个可变采样率的 ADC 1 个立体声 DAC 以 及音频耳机放大器 其内部结构如图 3 所示 3 2 2 VS1003 支持的编解码格式支持的编解码格式 1 解码 MP3 mpeg1 和 mpeg2 层 3 MP3 V WMA WAN SD MIDI 2 编码 IMA ADPCM 单声道 麦克风和线入两种输入方式 3 2 33 2 3 VS1003 的几个重要参量容许范围的几个重要参量容许范围 模拟正电源 AVDD 0 3 3 6V 数字正电源 CVDD 0 3 2 7V I O 正电源 IOVDD 0 3 3 6V 所有数字口输出电流 正负 50mA 所有数字口输入电压 0 3IOVDD 0 3 V 3 2 43 2 4 VS1003VS1003 与单片机与单片机接口的设计接口的设计 VS1003 芯片的 48 个引脚中 除了与电源连接的引脚外 其它引脚 均可与单片机的通用 I O 口相连 在本设计中 VS1003 与核心控制 器 C8051F020 单片机的数据通信是通过 SPI 总线方式进行的 VS1003 通过串行命令接口 SCI 和串行数据接口 SDI 来接收单片机 的控制命令和 MP3 的数据 通过 XCS XDCS 引脚的置高 低来确认 是哪一个接口处于传送状态 VS1003 的功能控制 如初始化 软复 位 暂停 音量控制 播放时间的读取等 均是通过 SCI 口写入特 定寄存器实现的 两条 SCI 指令之间要通过 DREQ 引脚信号判断上一 次处理是否完成 当 DREQ 引脚为高电平时 芯片可接收数据 VS1003 与单片机连接图如图 4 所示 图 4 3 33 3 音频文件存取模块设计音频文件存取模块设计 目前 常用的存储卡有 SD 卡 XD 卡 CF 卡 CF 卡内置了控制 器 数据吞吐为并行方式工作 最大的特色是兼容性好 无论采用多 大容量的闪存芯片组 其外部接口都是标准的 ATA IDE 接口 而且 3 3V 5V 外电压通用 与计算机系统的联接非常方便 容量不断提 升 存取速度也不断提高 XD 存储卡不仅能储存音乐 照片和动画 等资料 同时还具备 ID 保护功能 可以防止非法拷贝 适用于 Olympus 与 Fuji 数码相机系统 SD 卡体积小 重量轻 便于携带 兼容性佳 应用广范 考虑到 SD 卡的安全性与通用性 本设计选择 它作为音频文件的载体 3 3 1 SD 卡的主要特点卡的主要特点 1 是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备 2 拥有高记忆容量 存储容量一般从几百 MB 到几百 GB 3 数据传输率快 4 体积小 重量轻 便于携带 有极大的移动灵活性 5 安全性好 3 3 2 SD 卡的内部结构卡的内部结构 本设计选用的是美国 SanDisk 公司 的 1GB 容量的 SD 卡 其内部结构图如 5 所示 从图中可以看到 SD 卡的内部 结构 10 主要包括片上控制器 FLASH 存 储模块 控制和状态寄存器 内部时钟 电源管理以及引脚接口部分 SD 卡上 所有单元由内部时钟发生器提供时钟 接口驱动单元同步外部时钟的 DAT 和 CMD 信号到内部所用时钟 SD 卡共有 6 个寄存器 通过读写这些寄 存器可对 SD 卡进行设置并获得其状态 在多 SD 卡垛叠中为了标识 SD 卡 一个卡标识寄存器 CID 和一个相应地址寄存器 RCA 预先 准备好 一个附加的寄存器 CSD 寄存有不同类型的操 图 5 SD 卡内部结构图 3 3 33 3 3 SDSD 卡的传输模式卡的传输模式 SD 卡共支持三种传输模式 SPI 模式 独立序列输入和序列输 出 1 位 SD 模式 独立指令和数据通道 独有的传输格式 4 位 SD 模式 使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 0 400 千比特 秒 数据传输率 采用 SPI 和 1 位 SD 传输模式 高速卡支持 0 100 兆比特 秒数 据传输率 采用 4 位 SD 传输模式 支持 0 25 兆比特 秒 采用 SPI 和 1 位 SD 模式 3 3 43 3 4 SDSD 卡读写功能的实现卡读写功能的实现 SD 卡读写功能的实现分为两个部分 单片机读写 SD 卡的实现 上位机通过 USB 读写 SD 卡的实现 12 1 1 单片机读写单片机读写 SDSD 卡的实现卡的实现 SD 卡本生支持两种不同的通信方式 即 SD 总线读写方式和 SPI 总线读写方式 考虑到单片机在 SD 模式下读写 SD 卡所用的接 线要比 SPI 总线模式下要多近一倍 且 SD 模式下通信协议本生软件 实现较复杂 因此选择 SPI 模式为单片机与 SD 卡的通信方式 SPI 模式下单片机与 SD 卡的连接图如图 6 所示 图 6 由于本系统所选单片机本生硬件支持 SPI 总线的通信 故在此 模式下单片机对 SD 卡的读写可以轻松的实现 2 2 上位机通过上位机通过 USBUSB 读写读写 SDSD 卡的实现卡的实现 SD 卡本生是不支持 USB 通信的 要实现 SD 卡和上位机之间的 USB 通信 必须得外借其它电路进行通信方式的转换 这里选用 Alcor Micro 公司生产的一款 SD 卡专用的 USB 读写芯片 AU6331 13 来进行转换 AU6331 是 Alcor Micro 公司生产的一款专门用作 SD 卡与主机之间进行 USB 通信的芯片 能将 SD 卡的 SD 总线读写模式 转换成 USB 读写模式与上位机进行通信 AU6331 支持 USB2 0 通信 无需编程控制 只需按其典型应用即可 使用方便简单 3 43 4 电源模块电路设计电源模块电路设计 考虑到 C8051F020 的数字 I O 口均耐至 5V 电压 而 VS1003 芯 片正常工作需要 2 5V 和 3 3V 同时供电 系统需要选取不同的稳压 芯片进行稳压 本系统中所选的 5V 稳压芯片是线性三端稳压芯片 LM7805 3 3V 和 2 5V 稳压芯片选用的是 AMS1117 系列稳压芯片中的 3 3V 和 2 5V 稳压芯片 3 4 13 4 1 LM7805LM7805 稳压芯片稳压芯片 目前 常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 lm78 系列和 负电压输出的 lm79 系列 顾名思义 三端 IC 是指这种稳压用的集 成电路 只有三条引脚输出 分别是输入端 接地端和输出端 LM7805 是 lm78 系列中的一种 其电路内部还有过流 过热及调整 管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 该系列集 成稳压 IC 型号中的 lm78 或 lm79 后面的数字代表该三端集成稳 压电路的输出电压 如 本设计用到的 lm7805 表示输出电压为正 5V 它的样子象是普通的三极管 有 TO 220 的标准封装 也有 TO 3 等其它封装 如图 7 所示 图 7 LM7805 芯片的电气特性表 参数符号测试条件最小值典型值最大值单位 输出电压 VoTj 25 4 85 05 2V 5 0mA1o1 0A Po15 W Vi 7 5v to 20v 4 755 005 25V 线性调整率 VoTj 25 Vi 7 5V to 25V4 0100mV Tj 25 Vi 8V to 12V1 650mV 负载调整率 VoTj 25 lo 5 0mA to 1 5A9100mV Tj 25 lo 250mA to 750mA450mV 静态电流 IQTj 25 5 08mA 静态电流变化 率 IQlo 5mA to 1 0A 0 030 5mA Vi 8V to 25V0 30 8mA 输出电压温漂 Vo Tlo 5mA 0 8 mV 输出噪音电压 VNf 10Hz to 100KHz Ta 25 42 V 纹波抑制比 RRf 120Hz Vi 8V to 18V 6273dB 输入输出电压 差 Volo 1 0A Tj 25 2V 输出阻抗 Rof 1KHz15m 短路电流 1SCVi 35V Ta 25 230mA 峰值电流