【正文】 揚(yáng)州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的音樂(lè)播放器設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 所 在 學(xué) 院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)及班級(jí) 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 20 年6月2日 摘要本論文首先針對(duì)基于SD卡的MP3的播放器整體設(shè)計(jì)加以研究和介紹，并討論系統(tǒng)軟硬件的選擇，及具體開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境；然后，深入介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)，并著重研究了SD卡、FAT格式、解碼芯片及其軟件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)；最后，詳細(xì)介紹了性能優(yōu)化等方面的工作及其開(kāi)發(fā)前景。本設(shè)計(jì)在Atmel公司生產(chǎn)的atmega8L單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)并取得了較好的效果。關(guān)鍵詞：MP3播放器，AVR單片機(jī)， SD卡，音頻解碼，F(xiàn)AT分析ABSTRACTIn this paper, first of all for the SD cardbased MP3 player to study the overall design and presentation, and discuss the system hardware and software choices, and specific developing and debugging environment。 and then insight into the system design and its implementation, focusing on the SD card, FAT format, decoder chip and softwaredriven design。 Finally, the detailed performance optimization aspects of the work and its development prospects. This design produced by the Atmel’s microcontroller ATmega8l to achieve and has achieved good results.KEY WORDS:MP3 Player, AVR Micro Chip Unit, SD Card, Audio Decorde, FAT ansysly目錄摘要 IABSTRACT II第一章 緒論 1 基于單片機(jī)的MP3概述 1 基于單片機(jī)的MP3系統(tǒng)組成 1 基于單片機(jī)的MP3播放器特點(diǎn) 2 課題研究的背景及意義 2 課題研究的背景 2 課題研究的意義 4 論文研究的內(nèi)容和目標(biāo) 4 論文研究的內(nèi)容 4 論文研究的目標(biāo) 5第二章 硬件設(shè)計(jì) 6 AVR單片機(jī)簡(jiǎn)介 6 AVR單片機(jī)性能接口分析 7 基于SD卡的MP3接口設(shè)計(jì) 7 ATmega8l引腳介紹 7 ATmega8l接口介紹與設(shè)計(jì) 9第三章 軟件設(shè)計(jì) 16 軟件設(shè)計(jì)流程 16 鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì) 17 SD卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 17 FAT驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 19 VS1003B驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 22 MP3軟件運(yùn)行設(shè)計(jì) 24第四章 總結(jié) 27 基于單片機(jī)的MP3播放器測(cè)試結(jié)果 27 前景與展望 27參考文獻(xiàn) 28致謝 30附錄 3191第一章 緒論 基于單片機(jī)的MP3概述 基于單片機(jī)的MP3系統(tǒng)組成基于單片機(jī)的MP3播放器主要由主控制器、SD卡、解碼芯片、鍵盤(pán)等四個(gè)部分組成。其基本框架如下圖所示。 圖11 基本框架圖控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。主要完成對(duì)系統(tǒng)中各種芯片的輸入、輸出控制，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、軟硬件接口的中心模塊。這是系統(tǒng)中又一重要模塊。其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)耳機(jī)發(fā)聲。此模塊可大致分為鍵盤(pán)部分和SD卡部分。鍵盤(pán)部分主要用來(lái)控制對(duì)MP3的操作。SD卡部分主要是對(duì)SD卡的讀取。此部分主要包括音頻輸出。音頻輸出主要會(huì)用到一些模擬電路，對(duì)電路進(jìn)行去噪等。 基于單片機(jī)的MP3播放器特點(diǎn)在半導(dǎo)體行業(yè)中，消費(fèi)類(lèi)電子是近年來(lái)發(fā)展最迅猛的一個(gè)領(lǐng)域。2006年消費(fèi)類(lèi)電子在中國(guó)Mcu市場(chǎng)的需求所占份額超過(guò)了百分之四十[1]?，F(xiàn)在mp3技術(shù)已基本成熟，一般mp3都采用專(zhuān)用DSP芯片和集成的數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)器。集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，但是，這樣卻無(wú)法方便的進(jìn)行容量的擴(kuò)展。因此，本次論文在于設(shè)計(jì)出能夠用SD或CF卡作為音樂(lè)存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)器，從而，使mp3的容量能夠方便地得到擴(kuò)展。隨著現(xiàn)在存儲(chǔ)器微型化快速發(fā)展，無(wú)法擴(kuò)展容量的mp3已經(jīng)很難滿(mǎn)足人們的需求。雖然現(xiàn)在一些mp3容量已經(jīng)達(dá)到2G、4G甚至8G。但是，由于其容量無(wú)法擴(kuò)展，為用戶(hù)以后的使用造成了極大不便。當(dāng)用戶(hù)想要擴(kuò)展容量時(shí)，不得不再換一個(gè)新的mp3。這樣就造成了用戶(hù)成本上的增加，會(huì)使用戶(hù)覺(jué)得得不償失。而SD卡mp3的出現(xiàn)則可以解決用戶(hù)的這一煩惱。這也是本次設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。另外，mp3為了達(dá)到音質(zhì)效果的完美，往往采用高檔DSP器件作為專(zhuān)門(mén)的解碼播放芯片，這樣雖然在效果上取得較大的突破，但是，由于mp3格式本身的限制，因此，即使盡可能提高系統(tǒng)性能和效果也會(huì)有一定限制，不可能無(wú)限制地提高，而且這些提高對(duì)于成本來(lái)說(shuō)是得不償失的。所以，這類(lèi)mp3價(jià)格是一般mp3的好幾倍。因此，本次論文并不采用這種DSP器件作為mp3載體，而是采用一般的單片機(jī)控制和mp3格式解碼芯片實(shí)現(xiàn)。由于社會(huì)上的大多數(shù)人群都屬于低端消費(fèi)者，也并不是專(zhuān)業(yè)的音樂(lè)欣賞者，他們對(duì)音樂(lè)的要求并不高。因此，此次設(shè)計(jì)的播放SD卡數(shù)據(jù)的mp3能夠適合于大多數(shù)人群。 課題研究的背景及意義 課題研究的背景便攜式音樂(lè)播放器的歷史從1979 年Sony 的Walkman TPS12 隨身聽(tīng)的問(wèn)世開(kāi)始。這臺(tái)磁帶機(jī)音樂(lè)系統(tǒng)開(kāi)啟了個(gè)人娛樂(lè)市場(chǎng)的大門(mén)，在此之前，人們只能呆在家里用笨重的立體聲錄音機(jī)欣賞音樂(lè)[2]。至今，便攜式音樂(lè)播放器產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)歷了磁帶機(jī)、CD 機(jī)、MD 播放器、MP3播放器四個(gè)階段[3]。1980 年，索尼和飛利浦共同制定了數(shù)字音頻光盤(pán)格式的標(biāo)準(zhǔn)，光盤(pán)直徑為12 厘米，，16 位音頻數(shù)據(jù)，CD 的音軌可以說(shuō)幾乎是無(wú)損的。一張光盤(pán)可以容納75 分鐘的音樂(lè)。1982 年索尼推出的D50 是真正意義上的CD 隨身聽(tīng)，拉開(kāi)了CD 隨身聽(tīng)的序幕。1990 年左右發(fā)展達(dá)到了鼎盛時(shí)期。時(shí)至如今，不管音樂(lè)播放器的未來(lái)怎么樣發(fā)展，CD 這承載完美音質(zhì)的載體永遠(yuǎn)不會(huì)落伍，即使因?yàn)轶w積上有著無(wú)法回避的缺點(diǎn)[3]。 1989 年，德國(guó)人Brandenburg 的博士論文，為MP3 這一數(shù)字音頻壓縮技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。1995 年誕生的MP3 標(biāo)準(zhǔn)具有較高的壓縮比以及較小的音質(zhì)損失，是音樂(lè)史上劃時(shí)代的革命性技術(shù)。這種數(shù)字音樂(lè)壓縮技術(shù)的誕生和流行，推動(dòng)了MP3 隨身聽(tīng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在MP3 標(biāo)準(zhǔn)誕生不久的20 世紀(jì)90 年代后期，便攜式MP3 音樂(lè)播放器正式登場(chǎng)[2]。從1995年上半年開(kāi)始直到整個(gè)九十年代后期，MP3開(kāi)始在因特網(wǎng)上蓬勃發(fā)展。MP3的流行主要得益于如Nullsoft于1997年發(fā)布的Winamp和Napster于1999年發(fā)布的Napster這樣的公司和軟件包的成功，并且它們相互促進(jìn)發(fā)展。這些程序使得普通用戶(hù)很容易地播放、制作、共享和收集MP3文件[4]。1998年Saehan公司推出了世界上第一臺(tái)的MP3播放器——MPMan F10。MPMan，取意于MP3與WALKMAN的結(jié)合。MPMan ，體重為65克，可謂非常輕巧[5]。在世韓的MPman F10為人們帶來(lái)了驚喜之后，美國(guó)的帝盟（Diamond）公司挑頭，于1998年底推出了Rio PMP300，這是第一個(gè)讓全世界都印象深刻的MP3。Rio PMP300最大的優(yōu)點(diǎn)就是可在互聯(lián)網(wǎng)上下載MP3而不用花一分錢(qián)[5]。MP3文化的標(biāo)志——Apple iPod。誕生于2001年10月，作為一款MP3，它在很多方面并不出色：價(jià)格高、音質(zhì)一般、使用時(shí)間短以及缺乏對(duì)Windows的支持等等，但它卻是第一個(gè)把互聯(lián)網(wǎng)音樂(lè)與MP3隨身聽(tīng)捆綁銷(xiāo)售的產(chǎn)品。許多人都愿意付少量錢(qián)到Apple官方站下載單歌，或使用包月制的無(wú)限時(shí)Download，iPod真正讓唱片公司獲得利潤(rùn)，所以得到了消費(fèi)者和唱片商的雙重支持[5]。直到2004年，MP3行業(yè)不平凡的一年。隨著隨身聽(tīng)的發(fā)展，人們已經(jīng)越來(lái)越被迷你小巧的MP3所征服，原本人們對(duì)于MP3音質(zhì)上的顧慮，已經(jīng)被現(xiàn)有MP3高品質(zhì)所打消。在這一年中，無(wú)論是從本身的品質(zhì)，還是市場(chǎng)銷(xiāo)售的情況來(lái)看，MP3已經(jīng)完全占有了市場(chǎng)，成為隨身聽(tīng)行業(yè)的霸主[6]。當(dāng)MP3在容量、外觀、音質(zhì)上的發(fā)展無(wú)法再吸引更多眼球的時(shí)候，開(kāi)始轉(zhuǎn)向多功能方向發(fā)展。正如在手機(jī)身上所發(fā)生的一切，人們對(duì)于MP3的要求，不再是單一的欣賞音樂(lè)，而是能像手機(jī)一樣身兼多職[5]。而目前消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展呈現(xiàn)出數(shù)字化和多功能集成化的明顯趨勢(shì)[7]。在MP3的研究上，由于市場(chǎng)趨近飽和，大多數(shù)公司都將精力集中在外觀造型上，對(duì)于其功能及性?xún)r(jià)比的探索趨勢(shì)相對(duì)較弱。 課題研究的意義本次論文主要是為了開(kāi)發(fā)出一套低成本、可擴(kuò)展容量的MP3。現(xiàn)在一般個(gè)人隨身攜帶使用MP3存在容量固定，性?xún)r(jià)比較低的情況。此次論文便是根據(jù)這些情況而設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)的突出優(yōu)勢(shì)是：突破了存儲(chǔ)容量限制。本系統(tǒng)提供了SD卡接口，可以方便地訪(fǎng)問(wèn)外部的移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，這樣就不會(huì)有特定的容量限制。當(dāng)前，個(gè)人多媒體娛樂(lè)市場(chǎng)的需求快速增長(zhǎng)，各種多媒體的應(yīng)用也日趨豐富，對(duì)存儲(chǔ)容量的要求必然越來(lái)越高，因此本系統(tǒng)采用的方案可以說(shuō)是應(yīng)勢(shì)而生。低成本。由于MP3 編碼算法的CPU 的性能要求非常，因此目前大部分的MP3實(shí)時(shí)編碼都是采用專(zhuān)用的DSP 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些芯片大部分價(jià)格較高[8]。本系統(tǒng)采用通用單片機(jī)處理，對(duì)MP3算法做了硬件方式的實(shí)時(shí)編碼滿(mǎn)足音質(zhì)要求。設(shè)計(jì)中又將漢字存儲(chǔ)芯片移除，大大降低了系統(tǒng)的成本。 論文研究的內(nèi)容和目標(biāo) 論文研究的內(nèi)容1．分析FAT32磁盤(pán)文件格式。由于此次論文要求對(duì)SD卡數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，而現(xiàn)在大多數(shù)SD卡的數(shù)據(jù)格式幾乎都是FAT16或FAT32格式。其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式及引導(dǎo)區(qū)大小等情況顯得尤其重要。如果忽略此環(huán)節(jié)，勢(shì)必在讀取數(shù)據(jù)時(shí)造成錯(cuò)誤，對(duì)結(jié)果造成重大影響。2．分析mp3文件格式。在進(jìn)行MP3播放時(shí)，MP3解碼器并不能夠完成數(shù)據(jù)的分析任務(wù)，它只能根據(jù)控制部分給出的控制方式及速率接受并運(yùn)算數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)。故進(jìn)行MP3格式的分析可以幫助我們編寫(xiě)相應(yīng)分析程序，并為控制MP3解碼芯片作出必要的準(zhǔn)備。3．分析出mp3解碼方法。在使用MP3解碼芯片解碼時(shí)，必然會(huì)用到解碼相關(guān)知識(shí)。而且，在將數(shù)據(jù)送到MP3解碼芯片前，對(duì)數(shù)據(jù)做必要的處理也可以提高M(jìn)P3解碼芯片處理效率，增加設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。如果對(duì)MP3解碼不夠了解，就可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。4．了解mp3解碼芯片的相關(guān)使用。對(duì)于不同的MP3解碼芯片，其操作、控制字及外圍電路也各不相同，找出性?xún)r(jià)比高且外圍電路簡(jiǎn)單的芯片就顯得比較重要。這不但可以降低成本，也會(huì)大大提高系統(tǒng)的可行性并降低系統(tǒng)成本。5．對(duì)Mini SD卡的初始化及文件讀寫(xiě)。SD屬于存儲(chǔ)設(shè)備，但是，它卻與一般存儲(chǔ)設(shè)備不同。其與集成芯片相似，需要對(duì)其初始化才能正常工作。而對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作也與其它存儲(chǔ)器不同，每次讀寫(xiě)均需寫(xiě)入相應(yīng)的命令控制字，否則，對(duì)SD卡的操作均為無(wú)效操作。 論文研究的目標(biāo)1．能夠完成對(duì)SD卡或CF卡的初始化及SD卡中mp3數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。2．通過(guò)mp3解碼芯片播放出原音頻文件。3．通過(guò)控制部分，能夠進(jìn)行上一曲、下一曲的切換等。第二章 硬件設(shè)計(jì)本章著重介紹基于SD卡的MP3播放器設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)流程如圖21所示。圖21 硬件框圖 AVR單片機(jī)簡(jiǎn)介一般MP3文件大小都在38MB之間，而每個(gè)文件的播放時(shí)間為5分鐘左右，按這樣計(jì)算，單片機(jī)的處理能力必須在200kb/s以上，再加上SD卡的讀取時(shí)間、解碼時(shí)間和單片機(jī)自身需要的控制指令時(shí)間，因此，單片機(jī)的處理能力必須在600kb/s以上。而51系列單片機(jī)大部分指令為雙周期指令，其工作頻率在12MHZ時(shí)，每條指令需要2μm，所以，本論文采用AVR系列的ATmega8l單片機(jī)，其具有更高的工作性能。下面我們作以簡(jiǎn)單介紹。ATmega8l單片機(jī)屬于AVR單片機(jī)中配置較高的產(chǎn)品。它在AVR內(nèi)核基礎(chǔ)上，增加了更多的功能，并完善了接口性能，在省電、穩(wěn)定性、抗干擾以及靈活性方面也考慮得更加周全和完善，所以，ATmega8l單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他AVR單片機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)復(fù)雜一些。ATmega8l單片機(jī)是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼的效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率[9]。ATmega8l單片機(jī)的內(nèi)部資源有先進(jìn)的RISC指令集、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、JTAG接口、特殊功能接口。其中，RISC指令集有32個(gè)8位通用工作寄存器，支持全靜態(tài)工作，工作于1