基于ATmega16的MP3设计与实现

本科毕业论文基于ATMEGA16的MP3设计与实现THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFMP3BASEDONATMEGA16学院理学院专业电子科学与技术姓名李伟男学号101412786指导教师李根小职称讲师论文提交日期二一四年摘要随着MP3播放功能在各类手持和车载音频设备中的普及，对于MP3播放技术的研究有了极高的社会价值和经济价值。本设计对于MP3功能进行了初步的研究与实现。MP3编码标准压缩率高，压缩质量好，是广为应用的音频压缩格式。本设计是基于ATMEGA16内核单片机实现对MP3的解码以及播放功能的。ATMEGA16是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，拥有32个8位通用寄存器，工作于16MHZ时性能高达16MIPS，具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。正因为ATMEGA16具有如此多的特点，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。本设计采用了VS1003解码芯片来实现MP3播放功能。该芯片可用于解码MP3以及WMA格式的音频文件，具有高低音控制、流媒体支持、低功耗运行、内含高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差等特点。设计最终实现了MP3的播放以及在LED显示屏上显示正在播放的歌曲、当前音量，并由按键和遥控器控制整个播放器。关键词MP3播放技术ATMEGA16单片机；AVR微处理器；VS1003解码芯片THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFMP3BASEDONATMEGA16ABSTRACTWITHTHEPOPULARITYOFMP3PLAYBACKFUNCTIONINVARIOUSPORTABLEANDVEHICLEAUDIOEQUIPMENTS,THESTUDYOFMP3DISPLAYTECHNOLOGYHASHIGHSOCIALANDECONOMICVALUETHISDESIGNSTUDIEDTHEMP3FUNCTIONANDITSREALIZATIONMP3CODINGSTANDARDWITHHIGHCOMPRESSIONRATIOANDHIGHQUALITYCOMPRESSION,AREWIDELYUSEDASAUDIOCOMPRESSIONFORMATWEUSEDTHEATMEGA16KERNELMCUTOREALIZEDTHEDECODINGANDPLAYBACKFUNVTIONOFMP3THEATMEGA16,A8BITAVRMICROPROCESSOR,HASHIGHERPERFORMANCE,LOWERPOWERCONSUMPTION,328BITGENERALPURPOSEREGISTERS,WORKINGINTHE16MHZPERFORMANCEUPTO16MIPSTHEATMEGA16ISANADVANCEDINSTRUCTIONSINASINGLECLOCKCYCLETIMEOFEXECUTION,WHICHCANCONFLICTMITIGATIONSYSTEMINPOWERCONSUMPTIONANDPROCESSINGSPEEDBASEDONADVANTAGESOFTHEATMEGA16,ITPROVIDESFLEXIBLEANDLOWCOSTSOLUTIONTOMANYEMBEDDEDCONTROLAPPLICATIONSINTHEDESIGN,WESELECTTHEVS1003DECODERCHIPTOREALIZEMP3PLAYBACKFUNCTIONTHEVS1003DECODERCHIPCANBEUSEDFORDECODINGMP3ANDWMAFORMATAUDIOFILES,WHICHHASHIGHBASSCONTROL,STREAMINGMEDIASUPPORT,LOWPOWEROPERATIONANDSTEREODIGITALTOANALOGCONVERTERWITHHIGHPERFORMANCEONCHIP,FEATURESNOPHASEDIFFERENCEBETWEENTWOCHANNELSTHEDESIGNFINALLYACHIEVEDMP3PLAYBACKANDDISPLAYEDONTHELEDDISPLAYISPLAYINGSONGS,THECURRENTVOLUME,ANDTHEKEYSANDREMOTECONTROLOFTHEPLAYERKEYWORDSMP3PLAYBACKFUNCTIONATMEGA16SINGLECHIPMICROCOMPUTER；AVRMICROPROCESSOR；VS1003DECODINGCHIP目录1引言111背景与意义112课题设计任务113MP3设计方案114需要研究的内容2141分析FAT磁盘文件格式2142分析出MP3的解码方式2143了解MP3解码芯片的相关使用2144对SD卡的初始化及文件读写215设计目的32ATMEGA16单片机321简介322产品特性323各引脚功能设置424AVRCPU内核63FAT文件系统731FAT文件系统简介732FAT文件系统特性833FAT文件系统应用84VS1003解码芯片941VS1003解码芯片简介942VS1003解码芯片特性943初始化VS1003解码芯片105SD卡初始化设置1251关于SD卡的简介1252SD卡复位到SPI的方式1353SD卡SPI方式读写146结论17致谢18参考文献19附录20插图和附表清单1图1ATMEGA16引脚图42图2AVR结构的方框图63图3FATFS模块层次结构图84图4VS1003模块连接示意图105图5对SD卡复位操作时序136图6将SD卡初始化为SPI方式时序图147图7对SD卡进行单数据块读操作时序图158图8对SD卡单数据块进行写操作时序图169表1SD卡接口定义12缩略语表SDSECUREDIGITALMEMORYCARD安全数码卡USB（UNIVERSALSERIALBUS）通用串行总线LED（LIGHTEMITTINGDIODE）发光二极管FAT（FILEALLOCATIONTABLE）文件配置表RISC（REDUCEDINSTRUCTIONSETCPU）精简指令集计算机EEPROM（ELECTRICALLYERASABLEPROGRAMMABLEREADONLYMEMORY）电可擦可编程只读存储器SRAM（STATICRAM）静态存储器JTAG（JOINTTESTACTIONGROUP）芯片内部测试协议USART（UNIVERSALSYNCHRONOUS/ASYNCHRONOUSRECEIVER/TRANSMITTER）通用同步/异步串行接收/发送器SPI（SERIALPERIPHERALINTERFACE）串行外设接口CPU（CENTRALPROCESSINGUNIT）中央处理器RWW（READWHILEWRITING）同时读写能力I/O（INPUT/OUTPUT）输入/输出MPEG（MOVINGPICTUREEXPERTSGROUP）运动图象专家组TCTIMER/COUNTER定时器/计数器A/DANALOGTODIGITALCONVERTER模/数转换器PC（PROGRAMCOUNTER）程序计数器RTOS（REALTIMEOPERATINGSYSTEM）实时操作系统API（APPLICATIONPROGRAMMINGINTERFACE）应用程序编程接口内蒙古农业大学学士学位论文11引言11背景与意义MP3的全名是MPEGAUDIOLAYER3，是一种声音文件的压缩格式。世界第一台MP3播放器诞生在韩国企业SAEHAN（世韩，1995年从三星分离出来），并在1998年推出第一台MP3播放器MPMANF10。MPMAN取意于MP3与WALKMAN的结合。MPMANF10的体积为7090165MM，约有四个144M软盘堆叠起来这么大，体重为65G。音频数据压缩方法是通过研究人耳和大脑听觉神经对音频失真的敏感度，在编码时先分析声音文件的波形，利用滤波器找出噪音电平NOISELEVEL，然后滤去人耳不敏感的信号，通过矩阵量化的方式将余下的数据每一位打散排列，最后编码形成MPEG的文件。而音质听起来与CD相差不大。MP3的好处在于大幅降低数字声音文件的容量，而不会破坏原来的音质。在抽样分辨率为L6BIT，抽样频率441KHZ，声音模式为立体声，存储L秒钟CD音质的WAVE文件，须要14112KBIT的存储容量，存储介质的负担相当大。最近，国内许多创业者想要开发MP3播放机MP3PLAYER。可是苦于目前可用且便宜的MP3系统级单片机实在不多，且又在成本不断要求降价的压力之下，创业者想要以便宜的技术方案来获得更高的利润，实属不易。本文以技术的观点来介绍ATMEGA16单片机，若不考虑体积大小、耗电量、额外的复杂功能、生产成本，它是能以单一的技术整合方案，来实现一台可用的MP3播放器。MP3已经成为了当今音乐播放领域的主流产品,消费者已经广泛接受MP3格式音乐播放器作为传统音频设备的替代品,其中有诸多原因促成此局面。越来越低廉的价格,越来越广泛的音乐获取途径,越来越多的设备支持以及更为出色的兼容性都是MP3播放器市场发展的动力。随着科技的进步,计算机技术施展的舞台也越来越宽广,特别是小型化的单片机,己经被用于电子行业的各个领域当中,而世界各大生产厂商也不断的开发自己的新产品。12课题设计任务本项目通过ATMEGA16单片机设计并实现了MP3音乐播放器的功能。其中包括LED显示屏的运用，VS1003解码器的使用，以及SD卡的驱动。设计采用汇编语言实现对个部件的驱动，要求实现选曲，播放，声音加减，显示播放歌曲以及当前音量等功能。13MP3设计方案本设计目的是基于ATMEGA16单片机实现MP3播放器功能。这其中包括控制单元、存储单元、音频转化部分、外部控制、通讯系统、外部显示以及电源2基于ATMEGA16的MP3设计与实现部分等功能的实现。控制部分本设计控制部分主要为ATMEGA16单片机控制整个系统，提供USB控制。存储部分存储部分作为MP3播放文件的存储器采用外部SD卡进行存储，可以实现大容量寄存。音频转化部分采用VS1003解码芯片，（再解释得细些）。外部控制具有对MP3进行操作的外部中断按键以及红外线遥控器。通讯系统包括USB以及串口通信。外部显示包括了LED发光管指示灯，液晶显示屏等。电源部分通过USB为MP3提供所需要的电能。14需要研究的内容141分析FAT磁盘文件格式由于本设计要对SD卡数据进行读写，其内部数据存储方式及引导区大小等情况显得尤为重要。因此先对SD卡数据的格式进行分析才可读数据。现今，大多数SD卡的数据格式都是FAT或FAT16格式。首先需要认真分析FAT磁盘文件格式再进行设计。如果忽略此环节，势必在读取数据时造成错误，对结果造成重大影响。142分析出MP3的解码方式在使用MP3解码芯片解码时，必然会用到解码相关知识。而且，在将数据送到MP3解码芯片前，对数据做必要的处理也可以提高MP3解码芯片处理效率，增加设计的可实现性。因此了解和分析MP3的解码格式。如果对MP3解码不够了解，就可能导致设计的失败。143了解MP3解码芯片的相关使用对于不同的MP3解码芯片，其操作、控制字及外围电路也各不相同。选用性价比高并且外围电路简单的芯片是非常重要的环节。这不但可以降低成本，也会大大的提高系统的可行性并降低系统成本。本设计采用了VS1003解码芯片实现MP3播放功能。144对SD卡的初始化及文件读写SD卡属于存储设备，但是，它与一般的存储设备不同。其与集成芯片相似，需要对其初始化才能正常工作。而对其进行读写操作也与其它存储器不同，每次读写均需写入相应的命令控制字，否则，对SD卡的操作均为无效操作。内蒙古农业大学学士学位论文315设计目的随着科技的进步，MP3播放器已经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的音质和强大的功能深得消费者的厚爱。而设计者们也在乐此不疲的为MP3播放器加入一些新的设计元素，让MP3播放器在消费者面前永远保持着新鲜的卖点和创新的活力。如今，MP3播放技术已经非常成熟，现阶段各大商家最为关心的并不是如何实现MP3播放功能，而是如何能在低成本低功耗的平台上实现MP3播放功能。这就意味着对原始MP3播放功能标准在实现过程中的优化是当前的一个热点，这也是本设计的意义所在。MP3播放器是一种典型的嵌入式设备，本设计采用大容量存储，在功能上实现多功能化。另外，近年来，嵌入式系统与单片机开发的有机结合，已经广泛的被应用于网络通信、工业控制、机顶盒等诸多领域。本设计提出了一种基于ATMEGA16单片机的MP3播放器设计方案，这也进一步的体现了该设计的灵活性。目前该设计已经实现，实践证明，此播放器拥有市场MP3所用的全部功能并能够很好地运行。2ATMEGA16单片机21简介ATMEGA16单片机是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16单片机的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA16单片机的AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大的提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATMEGA16单片机有如下特点16K字节的系统内可编程FLASH（具有同时读写的能力，即RWW）、512字节EEPROM、1K字节SRAM、32个通用I/O接口、32个通用寄存器、用于边界扫描的JTAG接口、支持片内调试与编程、三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）、片内/外中断、可编程串行USART、有起始条件检测器的通用串行接口、8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、一个SPI串行端口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。4基于ATMEGA16的MP3设计与实现22产品特性ATMEGA16单片机是一个高性能、低功耗的8位AVR处理器，拥有先进的RISC结构、131条指令，大多数的指令执行时间为单个时钟周期。拥有32个8位通用寄存器，全静态工作，工作于16MHZ时性能高达16MIPS。拥有只需要两个时钟周期的硬件乘法器，非易失性程序和数据储存器。16K字节的系统内可编程FLASH，擦写寿命达到10000次。在外设方面，ATMEGA16单片机拥有两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益的差分通道，面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART，可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。工作电压4555V，速度等级016MHZ。23各引脚功能设置ATMEGA16单片机具有44个引脚，各引脚功能如图1所示。图1ATMEGA16引脚图内蒙古农业大学学士学位论文5FIG1THEPINFIGUREOFTHEATMEGA16ATMEGA16单片机各引脚功能说明如下VCC数字电路的电源。GND接地。端口A（PA0PA7）端口A作为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8为为双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时讲输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B（PB0PB7）端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。另外端口B还有其他特殊功能在本设计中，该部分引脚主要作用为连接SPI总线。端口C（PC0PC7）端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5、PC3和PC2的上拉电阻被激活。另外端口C还有其他特殊功能在本设计中，该部分引脚主要作用为连接LCD以及LED。端口D（PD0PD7）端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。另外端口D还有其他特殊功能。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。在设计中，连接外部接地电路以及防止电路过载。XTAL2反向振荡放大器的输出端。作用与XTAL1相同。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。6基于ATMEGA16的MP3设计与实现24AVRCPU内核FIG2AVRSTRUCTUREBLOCKDIAGRAM本设计采用的AVRCPU内核结果如图2所示。为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了HARVARD（硬件）结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令在本文称为预取。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH格式文件。图2AVR结构的方框图内蒙古农业大学学士学位论文7快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从而实现了单时钟周期的ALU操作。在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟周期。寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y和Z寄存器。ALU操作支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。ALU操作也可以执行单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空间。大多数指令长度为16位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。程序存储器空间分为两个区引导程序区和应用程序区。这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/写保护。用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器PC保存于堆栈之中。堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小。在复位例程中用户首先要初始化堆栈指针SP。这个指针位于I/O空间，可以进行读写访问。数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。AVR存储器空间为线性的平面结构。AVR有一个灵活的中断模块。控制寄存器位于I/O空间。状态寄存器里有全局中断使能位。每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。I/O存储器空间包含64个可以直接寻址的地址，作为CPU外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0X200X5F。3FAT文件系统31FAT文件系统简介随着信息技术的发展，当今社会的信息量越来越大，以往由单片机构成的系统简单地对存储媒介按地址、按字节的读写方式已经不能满足人们实际应用的需要，于是利用文件系统对存储媒介进行管理成了今后单片机系统的一个发展趋势。目前常用的文件系统主要有微软的FATL2、FATL6、FAT32、NTFS以及LINUX系统下的EXT2和EXT3等。由于微软WINDOWS的广泛应用，在8基于ATMEGA16的MP3设计与实现当前的消费类电子产品中，用得最多的还是FAT文件系统，如U盘、MP3、MP4和数码相机等，所以找到一款容易移植和使用并且占用硬件资源相对较小而功能又强大的FAT开源文件系统，对于单片机系统设计者来说是很重要的。FATFSMODULE是一种完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。它完全用标准C语言编写，且完全独立于I/O层，可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8和ARM等系列单片机上且只需做简单的修改。它支持FATL2、FATL6和FAT32，支持多个存储媒介，有独立的缓冲区，可以对多个文件进行读写。32FAT文件系统特性WINDOWS兼容的FAT文件系统具有如下特性；平台无关，容易移植；代码量小；多种配置选项；支持多卷（物理驱动器或分区）；多个ANSI/OEM代码页包括DBCS；支持长文件名，ANSI/OEM或UNICODE；支持RTOS即实时操作系统；支持多种扇区大小，一般416KB不等；只读、最小化的API和I/O缓冲区等。33FAT文件系统应用FATFSMODULE系统一开始就是为了能在不同的单片机上使用而设计的，所以具有良好的层次结构，其结构如图3所示图3FATFS模块层次结构图内蒙古农业大学学士学位论文9FIG3FATFSMODULEHIERARCHYSTRUCTUREFATFSMODULE系统最顶层是应用层，使用者无需理会FATFSMODULE系统内部结构和复杂的FAT协议，只需要调用FATFSMODULE系统提供给用户的一系列应用接口函数，如F_OPEN、F_READ、F_WRITE和F_CLOSE等，就可以像在PC上读写文件那样简单。中间层FATFSMODULE系统实现了FAT文件读写协议。FATFSMODULE系统的完全版提供的是FFC和FFH，简化版TINYFATFS提供的是TFFC和TFFH。除非有必要，使用者一般不必修改，使用时将需要版本的头文件直接包含进去即可。需要使用者编写移植代码的是FATFSMODULE系统提供的底层接口，它包括存储媒介读写接口DISKI/O和供给文件创建修改时间的实时时钟。4VS1003解码芯片41VS1003解码芯片简介VS1003解码芯片是由芬兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM编码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP，5K的指令RAM，05K的数据RAM，串行的控制和数据输入接口，4个通用I/O口，一个UART口；同时片内带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器和地线缓冲器。VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。通过串行总线控制解码器。除了基本的解码，在用户RAM中它还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。42VS1003解码芯片特性本设计所使用的VS1003解码芯片能解码MPEG1和MPEG2音频，层III（CBRVBRABR）、WMA40/41/7/8/9、5384KBPS所有流文件、WAVPCMIMAADPCM、产生MIDI/SPMIDI文件；对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMAADPCM编码；支持MP3和WAV流；高低音控制；单时钟操作1213MHZ10基于ATMEGA16的MP3设计与实现内部PLL锁相环时钟倍频器；低功耗；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；为用户代码和数据准备的55KB片上RAM；串行的控制，数据接口；可被用作微处理器的从机；特殊应用的SPIFLASH引导；供调试用途的UART接口；新功能可以通过软件和4GPIO添加等优越的特点。43初始化VS1003解码芯片首先确保VS1003解码芯片与微处理器的正确与可靠连接。这一步很关键，必须确保连线的正确而且确实是连接上的（在插线之前最好用万用表测试一下倒显得连通性），否则以后的工作都将是浪费时间。VS1003解码芯片的模块连接头如图4所示意。FIG4VS1003MODULECONNECTIONDIAGRAM对于ATMEGA16单片机来说，总共需要其7个接口。MISO、MOSI和SCLK分别接ATMEGA16单片机的PB5、PB6和PB7接口，其余四根线接到相图4VS1003模块连接示