【正文】 第一章 緒 論 音頻格式背景音頻格式是指要在計(jì)算機(jī)內(nèi)播放或是處理音頻文件，是對聲音文件進(jìn)行數(shù)、模轉(zhuǎn)換的過程。音頻格式最大帶寬是20KHZ，速率介于40~50KHZ之間，采用線性脈沖編碼調(diào)制PCM，每一量化步長都具有相等的長度。音頻文件格式常見的特點(diǎn)有：要在計(jì)算機(jī)內(nèi)播放或是處理音頻文件，也就是要對聲音文件進(jìn)行數(shù)、模轉(zhuǎn)換，這個(gè)過程同樣由采樣和量化構(gòu)成，人耳所能聽到的聲音，最低的頻率是從20Hz起一直到最高頻率20KHZ，20KHz以上人耳是聽不到的，因此音頻文件格式的最大帶寬是20KHZ，故而采樣速率需要介于40~50KHZ之間，而且對每個(gè)樣本需要更多的量化比特?cái)?shù)。音頻數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)是每個(gè)樣本16位96dB的信噪比，采用線性脈沖編碼調(diào)制PCM，每一量化步長都具有相等的長度。在音頻文件的制作中，正是采用這一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)如今音頻格式已經(jīng)日新月異，到2008年音頻格式包括：CD格式、WAVE（*.WAV）、AIFF、AU、MPMIDI、WMA、RealAudio、VQF、OggVorbis、AAC、APE。 MP3文件格式 MP3格式誕生于八十年代的德國，所謂的MP3也就是指的是MPEG標(biāo)準(zhǔn)中的音頻部分，也就是MPEG音頻層。根據(jù)壓縮質(zhì)量和編碼處理的不同分為3層，分別對應(yīng)“*.mp1/“*.mp2”/“*.mp3”這3種聲音文件。需要提醒大家注意的地方是：MPEG音頻文件的壓縮是一種有損壓縮，MPEG3音頻編碼具有10：1～12：1的高壓縮率，同時(shí)基本保持低音頻部分不失真，但是犧牲了聲音文件中12KHz到16KHz高音頻這部分的質(zhì)量來換取文件的尺寸，相同長度的音樂文件，用＊.mp3格式來儲存，一般只有＊.wav文件的1/10，而音質(zhì)要次于CD格式或WAV格式的聲音文件。由于其文件尺寸小，音質(zhì)好；所以在它問世之初還沒有什么別的音頻格式可以與之匹敵，因而為＊.mp3格式的發(fā)展提供了良好的條件。直到現(xiàn)在，這種格式還是風(fēng)靡一時(shí)，作為主流音頻格式的地位難以被撼動。但是樹大招風(fēng)，MP3音樂的版權(quán)問題也一直是找不到辦法解決，因?yàn)镸P3沒有版權(quán)保護(hù)技術(shù)，說白了也就是誰都可以用。 　　MP3格式壓縮音樂的采樣頻率有很多種，可以用64Kbps或更低的采樣頻率節(jié)省空間，也可以用320Kbps的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到極高的音質(zhì)。用裝有Fraunhofer IIS Mpeg Lyaer3的 MP3編碼器（現(xiàn)在效果最好的編碼器）MusicMatch Jukebox 。采用缺省的CBR（固定采樣頻率）技術(shù)可以以固定的頻率采樣一首歌曲，而VBR（可變采樣頻率）則可以在音樂“忙”的時(shí)候加大采樣的頻率獲取更高的音質(zhì)，不過產(chǎn)生的MP3文件可能在某些播放器上無法播放。把VBR的級別設(shè)定成為與前面的CBR文件的音質(zhì)基本一樣，生成的VBR 。 　　MP3是到2008年止使用用戶最多的有損壓縮數(shù)字音頻格式了。它的全稱是MPEG(MPEG：MovingPictureExpertsGroup)AudioLayer3，剛出現(xiàn)時(shí)它的編碼技術(shù)并不完善，它更像一個(gè)編碼標(biāo)準(zhǔn)框架，留待人們?nèi)ネ晟?。早期的MP3編碼采用的的是固定編碼率的方式（CBR），看到的128KBPS，就是代表它是以128KBPS固定數(shù)據(jù)速率編碼——你可以提高這個(gè)編碼率，最高可以到320KBPS，音質(zhì)會更好，自然，文件的體積會相應(yīng)增大。 　　因?yàn)镸P3的編碼方式是開放的，可以在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架的基礎(chǔ)上自己選擇不同的聲學(xué)原理進(jìn)行壓縮處理，所以，很快由Xing公司推出可變編碼率的壓縮方式（VBR）。它的原理就是利用將一首歌的復(fù)雜部分用高bitrate編碼，簡單部分用低bitrate編碼，通過這種方式，進(jìn)一步取得質(zhì)量和體積的統(tǒng)一。當(dāng)然，早期的Xing編碼器的VBR算法很差，音質(zhì)與CBR（固定碼率）相去甚遠(yuǎn)。但是，這種算法指明了一種方向，其他開發(fā)者紛紛推出自己的VBR算法，使得效果一直在改進(jìn)。目前公認(rèn)比較好的首推LAME，它完美地實(shí)現(xiàn)了VBR算法，而且它是是完全免費(fèi)的軟件，并且由愛好者組成的開發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在不斷的發(fā)展完善。 　　而在VBR的基礎(chǔ)上，LAME更加發(fā)展出ABR算法。ABR（AverageBitrate）平均比特率，是VBR的一種插值參數(shù)。LAME針對CBR不佳的文件體積比和VBR生成文件大小不定的特點(diǎn)獨(dú)創(chuàng)了這種編碼模式。ABR在指定的文件大小內(nèi)，以每50幀（30幀約1秒）為一段，低頻和不敏感頻率使用相對低的流量，高頻和大動態(tài)表現(xiàn)時(shí)使用高流量，可以做為VBR和CBR的一種折衷選擇。 ATmega 128單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)? 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器? 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)– 133 條指令 – 大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成– 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器– 全靜態(tài)工作– 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS? 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器– 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash壽命: 10,000 次寫/ 擦除周期– 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀 修改 寫操作– 4K字節(jié)的EEPROM壽命: 100,000 次寫/ 擦除周期– 4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM– 多達(dá)64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間– 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密– 可以通過SPI 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程? 外設(shè)特點(diǎn)– 兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器– 兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器– 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器– 6路分辨率可編程（2 到16 位）的PWM– 輸出比較調(diào)制器– 8路10 位ADC– 7 個(gè)差分通道– 2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道– 面向字節(jié)的兩線接口– 兩個(gè)可編程的串行USART– 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口– 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器– 片內(nèi)模擬比較器? 特殊的處理器特點(diǎn)– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測– 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器– 片內(nèi)/ 片外中斷源– 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式– 可以通過軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率– 通過熔絲位可以選擇ATmega103 兼容模式– 全局上拉禁止功能? I/O 和封裝– 53個(gè)可編程I/O 口線– 64引腳TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝? 工作電壓– ATmega128? 速度等級– 0 16 MHz ATmega128第二章 方案與論證 需求分析本 MP3 播放系統(tǒng)功能較多，針對這些功能，要選擇合適的控制芯片及外部芯片來實(shí)現(xiàn)，以下介紹一下選用芯片： ⑴ MP3 解碼 本播放系統(tǒng)是利用 AVR 單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)歌曲播放功能的，但對單片機(jī)本身來說不能進(jìn)行音頻解碼（速度與資源都不符合要求），所以只能利用外部解碼芯片來實(shí)現(xiàn)歌曲播放功能。 MP3解碼芯片常見的有 VS100X 系列和 STA01X 系列，VS 系列自帶 DAC輸出功能，而且能解碼的音頻格式也比較多；而 STA系列需要外加 DAC，使用起來多有不便，而且只能解碼 MP3 一種格式的音樂文件。 經(jīng)過對此比較，選用 VS1003 作為解碼芯片，該芯片支持 MPWMA、WAV、MIDI、等格式的解碼，自帶 DAC 輸出；同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)音量、高低音等，更重要的是它還具有 MIC 功能，如需要，還可以實(shí)現(xiàn)錄音功能。因此，選用此芯片作為解碼芯片。 ⑵ 音效處理 雖然 VS1003自帶了音效處理，但是其效果不是很理想，而且無法對外部音源進(jìn)行音效處理，所以，本播放器采用一塊外部數(shù)字音效處理芯片來進(jìn)行音效處理。 CD3314 是一個(gè)具有四組立體聲輸入的雙聲道數(shù)字音質(zhì)處理器，CD3314將音量、音調(diào)（bass and treble）、聲道平衡（left/right），響度等處理及輸入增益選擇內(nèi)建于單一芯片中。這些功能令 CD3314僅需要少數(shù)外部元件即可實(shí)現(xiàn)高效的音質(zhì)處理功能。所用功能均由 I2C 總線控制。 ⑶ FM收音 本播放器的收音功能只針對 FM 調(diào)頻進(jìn)行收音，采用飛利浦公司生產(chǎn)的 TEA5767芯片來實(shí)現(xiàn)。TEA5767 是一款低功耗、電調(diào)諧、調(diào)頻立體聲收音芯片，內(nèi)部集成了中頻選頻網(wǎng)絡(luò)和解調(diào)網(wǎng)絡(luò)，可以做到完全免調(diào)，因此需要很少量的小體積外圍元件。TEA5767芯片可以應(yīng)用在中國、歐洲、美國和日本不同的 FM 波段環(huán)境。該芯片通過 I2C 總線控制，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻接收，頻率覆蓋范圍從 76～108Mhz，而且是立體聲接收，帶信號強(qiáng)度指示。所以，根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，采用此芯片來完成 FM 收音功能。 ⑷ 人機(jī)交互 人機(jī)交互采用紅外用空加 LCD 液晶顯示方式實(shí)現(xiàn)。輸入端采用遙控方式實(shí)現(xiàn)，不但能節(jié)省 I/O 口，而且使用起來更加方便，本播放器采用 PT2262/PT2272 紅外遙控芯片。該芯片是一種CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0A11)三態(tài)地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441 地址碼,PT2262 最多可有6 位(D0D5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17 腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。編碼芯片PT2262 發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。 液晶顯示普通單色 LCD 來實(shí)現(xiàn)，這里考慮到音樂播放顯示、同步歌詞顯示、音量顯示等諸多功能，同時(shí)兼顧成本，故選用價(jià)格較為便宜的 Nokia 5110 點(diǎn)陣LCD 來實(shí)現(xiàn)。該液晶屏本身不帶有字庫功能，所以，系統(tǒng)需要有外部字庫文件，來實(shí)現(xiàn)曲目及歌詞的漢字顯示。⑸ 存儲媒介 作為 MP3 播放器，肯定需要很大的存儲器來存放歌曲，可以選擇 Flash芯片存儲、SD卡、U盤等。如果選用 Flash ，則整個(gè)系統(tǒng)要求較多的 I/O 口來讀取，更重要的一點(diǎn)是，這樣做的后果就是整個(gè)系統(tǒng)的容量就被固定了，擴(kuò)容存在困難。而 U盤和 SD卡都是不錯(cuò)的選擇，并且 U盤和 SD卡均容易購買到，并且價(jià)格較為低廉，所以，存儲部分選用 U盤或 SD卡讀取來實(shí)現(xiàn)。 基本方案設(shè)計(jì)通過以上的需求分析，對本系統(tǒng)的所有的主要芯片有了初步的了解。本 MP3 播放系統(tǒng)已 ATmega 128 為控制核心，通過 SPI 通信協(xié)議控制 SD卡和 VS1003 通信，通過 I2C總線控制收音機(jī)模塊，對于其他的芯片則是通過普通 I/O 口連接的。以下是硬件系統(tǒng)的連接框圖。 ATmega128I2CSPITEA5767收音模塊Nokia 5110液晶顯示SD卡U盤VS1003音頻解碼紅外遙控PT2262PT2272串口及空閑I/O 口圖 以上是本 MP3 播放系統(tǒng)的硬件框圖，是該播放系統(tǒng)具有的基本功能，每個(gè)功能可以單獨(dú)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)以上這幾個(gè)關(guān)鍵功能部分需要具備：① FAT文件體統(tǒng)的管理 ② 歌曲名字及歌詞的漢字顯示 ③ UNICODE 與 CBK 編碼的轉(zhuǎn)換。 ④ SPI 通信協(xié)議的具體設(shè)置⑤ I2C總線結(jié)構(gòu)的設(shè)置及通信 ⑥ USART通信協(xié)議的建立與設(shè)置 。 以上功能將在下面的章節(jié)中予以陳述。第三章 硬件電路與軟件設(shè)計(jì) 硬件部分 音頻解碼電路 基本電路圖，VS1003 特性：●能解碼 MPEG 1 和MPEG2 音頻層 III（CBR+VBR+ABR）；WMA ；WAV(PCM+IMAADPCM)。產(chǎn)生MIDI/SPMIDI 文件?！駥υ捦草斎牖蚓€路輸入的音頻信號進(jìn)行IMAADPCM編碼●支持 MP3 和WAV 流●高低音控制●單時(shí)鐘操作12..13MHz●內(nèi)部PLL鎖相環(huán)時(shí)鐘倍頻器●低功耗●內(nèi)含高性能片上立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，兩聲道間無相位差●內(nèi)含能驅(qū)動30 歐負(fù)載的耳機(jī)驅(qū)動器●模擬，數(shù)字，I/O 單獨(dú)供電●●串行的控制，數(shù)據(jù)接口●可被用作微處理器的從機(jī)●特殊應(yīng)用的SPI Flash引導(dǎo)●供調(diào)試用途的UART接口●新功能可以通過軟件和4 GPIO 添加VS1003 概述：●VS1003 是一個(gè)單片MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器。它包含一個(gè)高性能，自主產(chǎn)權(quán)的低功耗DSP 處理器核VS_DSP4,工作數(shù)據(jù)存儲器，為用戶應(yīng)用提供5KB 的指令RAM 的數(shù)據(jù)RAM。串行的控制和數(shù)據(jù)接口，4 個(gè)常規(guī)用途的I/O 口，一個(gè)UART，也有一個(gè)高品質(zhì)可變采樣率的ADC和立體聲DAC，還有一個(gè)耳機(jī)放大器和地線緩沖器?！馰S1003 通過一個(gè)串行接口來接收輸入的比特流，它可以作為一個(gè)系統(tǒng)的從機(jī)。輸入的比特流被解碼，然后通過一個(gè)數(shù)字音量控制器到達(dá)一個(gè)18 位過采樣多位εΔ DAC。通過串行總線控制解碼器。除了基本的解碼，在用戶RAM 中它還可以做其他特殊應(yīng)用，例如DSP 音效處理。 U盤模塊電路 基本電路圖，CH375 是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持USBHOST主機(jī)方式和USBDEVICE/SLAVE 設(shè)備方式。在本地端，CH375 具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB 主機(jī)方式下，CH375還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU/MPU 等相連接。CH375 的USB 設(shè)備方式與CH372 芯片完全兼容，CH37