【正文】 ......................... 24 5 結論 ..................................................................... 27 參考文獻 致謝 東北林業(yè)大學畢業(yè)設計 1 基于單片機的 MP3播放器設計 1 1 緒論 研究現(xiàn)狀 隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術的應用也隨之提高。所以，嵌入式設備的開發(fā)過程是一個復雜的過程。如 CD 格式的音樂數(shù)據(jù)壓縮成 MP3 格式，音效相差無幾，但大小至少可壓縮 12 倍。 詳 細分析了嵌入式 MP3 播放器的開發(fā)過程，為嵌入式 MP3 播放器提供了一種合適的集成開發(fā)方法和框架。本 設計 研究的是在 MP3 多媒體的應用之下，以降低運行頻率， 降低 功耗這個重要特性為目標，對軟件和硬件兩方面分別作分析、評估和優(yōu)化，以達到所設立的目標。 科技的迅猛發(fā)展給音樂帶來 了意想不到的發(fā)展機會。 從有音樂開始，音樂的傳播方式是突飛猛進的發(fā)展，音樂的傳播方式按照時間的先后順序可以劃分為樂譜傳播、唱片傳播、廣播傳播、電視傳播、網(wǎng)絡傳播等五個階段。制作精良的 MP3 音樂，在專門的數(shù)字播放器中播放，完全可以 達 到普通 CD 唱機播放的音質。倘若站在潮流的浪尖往回看，視頻概念，拍照功能，彩屏大屏拓展，巧克力按鍵，雙層注塑亞克力面板，雙概念炒作，鏡面工藝， 英寸超大屏幕，國內的主流 MP3 廠家似乎總能夠保持一種默契，每隔一段不太長的時間就會為當時的 MP3 加入一些新的設計元素，讓 MP3在消費者面前永遠保持著新鮮的賣點和創(chuàng)新的活力。 如今 MP3 技術已經(jīng)非常成熟，現(xiàn)階段各大商家最為關心的并不是如何實現(xiàn) MP3，而是如何能在低成本低功耗的平臺上實現(xiàn) MP3，這就意味著對原始 MP3 標準在實現(xiàn)過程中的優(yōu)化是當前的一個熱點，這也是進行本課題研究的現(xiàn)實意義之所在。MPEG1 分為三種不同的方式， 稱 為 Layer Layer2 和 Layer3。MP3 的解碼器結構復雜，涉及到大量的數(shù)學計算，對處理器與內存的要求相當高。 MP3 是一種典型的嵌入式設備，而現(xiàn)在市場上比較常見的是閃存式 MP3。本文提出了一種基于 單片機 的 MP3 播放器的設計方案，這就進一步的體現(xiàn)了該設計的靈活性。 盡管經(jīng)歷了許多次洗牌，但國內外 MP3/MP4 市場競爭依舊十分的激烈。隨著人們生活水平的不斷提高以及對美好生活的渴望，對便攜試聽的要求也越來越高。 在 MP3 市場上，國內品牌廠商具有絕對優(yōu)勢。 松下、三洋和創(chuàng)新等加大投入，連索尼、 HP 和 DELL 等 IT 巨頭也相繼宣布進軍中國 MP3 市場 ?，F(xiàn)在已經(jīng)是百花爭鳴的 MP3 時代 。其實，就像手機、 PC 所 走過的道路一樣，MP3 在容量、功能、外觀設計、視聽統(tǒng)一等多方面有了長足的進步之后，便開始顯露出市場 細化趨勢。松下也開發(fā)了帶攝像頭的MP3。其中可以將前兩部分集成在一起，即帶 MP3 硬件解碼器的 CPU；或將后兩部分集成在一起，即集成硬件解碼、 D／ A 轉換及音頻輸入。 MP3大大縮小了聲音文件的長度，使音樂的存儲和傳輸更方便。 （ 3） 對 MP3 播放器的硬件 進行 設計 。它運行 MP3 的整個控制程序，也 稱為 fireware（或者固件程序）。 存儲設備是 MP3 播放機的重要部分，通常的 MP3 隨身聽都是采用半導體存儲器（ FLASH MEMORY）或者硬盤（ HDD）作為儲存設備的 [11]。 主機通訊端口是 MP3 播放機與 PC 機交換數(shù)據(jù)的途徑， PC 通過該端口操作 MP3 播放機存儲設備中的數(shù)據(jù)，拷貝、刪除、復制文件等操作。這里要介紹一下數(shù)字音頻信號。數(shù)字音頻信號是對模擬信號的一種量化，典型方法是對時間坐標按相等的時間間隔做采樣，對振幅做量化。 MP3 解碼器解碼后的信息屬于數(shù)字音頻信號（數(shù)字音頻信號有不同的格式，最常用的是 PCM 和 I2S 兩種），需要通過 DAC 轉換器變成模擬信號才能推動功放，被人耳所識別。 圖 21 音頻信號數(shù)字化 數(shù)字音頻信號經(jīng)過處理、記錄或傳輸后，當需要重現(xiàn)聲音時，還必須還原為連續(xù)變化的 模擬信號。 二 、音頻采樣 采樣就是從一個時間上連續(xù)變化的模擬信號取出若干個有代表性的樣本值，來代表這個連續(xù)變化的模擬信號。 根據(jù) 奈奎斯特 采樣定理：要從采樣值序列完全恢復原始的波形，采樣頻率必須大 于 或等于原始信號最高頻率的 2 倍。 三 、音頻量化 采樣把模擬信號變成了時間上離散的樣值序列，但每個樣值的幅度仍然是一個連續(xù)的模擬量，因此還必須對其進行離散化處理，將其轉換為有限個離散值，才能最終與數(shù)碼來表示其幅 值。存儲數(shù)字音頻信號的比特率為： sI N f?? ，其中的 sf 是采樣率， N 是模擬音頻信號 低通濾波器 編碼 數(shù)字流 采樣 量化 東北林業(yè)大學畢業(yè)設計 7 每個采樣值的比特數(shù)。N 的值降低會導致量化的精度降低， N 的值增加又會導致信息存儲量的增加。因此，要想既適應幅度大的輸入信號，同時又要滿 足精度高的要求，就需要增加采樣樣本的位數(shù)。因此說量化也是一種壓縮數(shù)據(jù)的方法。用這種方式組成的二值脈沖的頻率等于采樣頻率與量化比特數(shù)的乘積，成為數(shù)字信號的數(shù)碼率。 編碼 過程 MP3 文件由一系列長度不同的幀組成，一個接著一個，就好像電影膠片一樣。在一個 MP3 文件的開始或者結尾，通常會存儲一些額外的信息，包括歌手、曲目名、專輯 名、錄制時間、流派 以及 個人評論。然而， 正是 第一部分的壓縮做了大部分的工作，也具有更多的復雜性，這里也被更多的考慮。這和電影中的幀很類似。例如 ，如果數(shù)據(jù)傳輸率是 128kbit/s，那么每一幀可以分配的數(shù)據(jù)上限就確定了（除非使用變比特率方法）。Huffman 編碼與心理聲學模型并不相關，它只是通過傳統(tǒng)的壓縮方式 獲得 額外的壓縮比。在這個過程中，許多其他因素需要考慮，這經(jīng)常在開始編碼前就需要預先設定。位分配的信息告訴解碼器每個樣本由幾位表示，比例因子用 6 位表示解碼器，使用 6 位的比例因子乘以量化器的每個輸出樣本值，以恢復被量化的子帶值。 MDCT 把子帶的輸出在頻域里進一步細分已達到更高的頻域分辨率。長塊對于平穩(wěn)的聲音信號可以得到更高的頻域分辨率，而短塊對跳變的聲音信號可以得到更好的時域分辨率。這樣，既能保證低頻區(qū)的頻域分辨率，又不會犧牲高頻域的時域分辨率。增加的主要是編碼器的復雜度和解碼器所需要的存儲容量。 MP3 播放器 所 關注的只是檢查比特流的頭和頻譜分布的數(shù)據(jù)幀，以及和它們存儲在一起的 邊信息 ，然后再將重建這些信息為音頻信號。 一些 MP3 解碼器比其他解碼器占用更多的 CPU 時間，但是，用效率來衡量它們之間的區(qū)別并不比用其它特征來衡量的區(qū)別大。編碼器將模擬信號經(jīng)處理后，轉換成數(shù)字信號進行傳輸。如 圖 31 可以看出本系統(tǒng)的具體硬件設計主要包括 ： 主芯片和 USB 接口的連接設計，此部分主要用于 MP3 文件的傳輸和固件下載；主芯片和按鍵以及 LCD 之間的設計連接，用戶通過顯示 屏幕獲取播放器的進程息，通過按鍵來對音樂進行選擇和控制；主芯片和D/A 轉換器之間，這一系統(tǒng)將該系統(tǒng)解碼后的數(shù)字信號轉換為人耳能識別的模擬信號，這一部分主要包括時鐘信號、數(shù)據(jù)信號以及反饋信號的連接；電源轉換部分，本系統(tǒng)內部使用的電源一般為 ，而 USB 接口 以及電池的電源都需要 DCDC 部分來進行轉換，從而為系統(tǒng)提供所需的 電源；播放系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)的切換電路設計 。 . 主電路設計 系統(tǒng)的主芯片采用美國 ATMEL 公司的 AT89C51SND1C，該芯片是一個 ~ V 低電壓、 80 mW 低功耗、運算速度高、功能完善、高度集成并且低成本的單芯片數(shù)字（ MPEG1，2， amp。 圖 33 AT89C51SND1C 內部主要資源 此外，由于該芯片內部集成了大量的接口，所以只需要很少的外圍器件如 DCDC，音頻 D/A 轉換器和存儲器就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的要求，這樣可以做到系統(tǒng)空間很小，這一點東北林業(yè)大學畢業(yè)設計 13 正好適應現(xiàn)代系統(tǒng)設計的纖小而功能全面的要求。 本設計并沒有使用單片機的全部功能，部分沒有占用的 IO 端口和 MMC 等專用借口都用擴展槽引出了，可以用來擴展其他電路。 X1 I 輸入芯片上反向振蕩放大器 使用內部振蕩器，晶振 /諧振器電路連接到該管腳。 X2 O 輸出片上振蕩器反相放大器 使用內部振蕩器，晶振 /諧振器電路連接到該管腳。 定時器信號說明 ： External Interrupt 1 INT1的輸入控制 TCON寄存器里的 IE1位 .If（ IT1=1）位 IE1被 INT1低電平 .If（ IT1=0）位 IE1被 INT1低電平觸發(fā) . 東北林業(yè)大學畢業(yè)設計 14 圖 34 AT89C51SND1C 引腳圖 單片機最小系統(tǒng) 單片機芯片，配以必要的外部器件就能構成單片機最小系統(tǒng)。簡易自動樂曲播放器 采用單片機 最小系統(tǒng)足以滿足系統(tǒng)設計要求，同時要設計單片機最小系統(tǒng)的晶振和復位電路。同時在產品生產中應用先進的修正技術，確保輸出電壓和參考精度在 177。包括三端可調輸出和固定電壓輸出版本（固定電壓包括 ， ， ， ，5V 等，其他電壓規(guī)格可根 據(jù)用戶定制） 穩(wěn)定工作電壓范圍高達 15V 計算機主板、顯卡 開關電源的后級穩(wěn)壓 東北林業(yè)大學畢業(yè)設計 16 D/A 轉換部分 當 MP3 或者 WMA 等格式的音樂文件經(jīng)過主芯片內部解碼后為數(shù)字信號， 而人耳所能識別的信號卻為模擬信號，系統(tǒng)利用 CS4331 進行轉換。同時 AT89C51SND1C 內部集成了 MP3 軟件 解碼器，系統(tǒng)不需要外接額外的解碼器。 CS4331 芯片沒有配置引腳，無需軟件配置。 圖 38 為 CS4331 芯片內部結構圖。用戶在使用播放器時可以方便地根據(jù)自己的喜好來選擇歌曲播放或暫停。 圖 39 為鍵盤控制電路，圖 310 為 LCD 顯示電路。 圖 311 為兼有上電復位與按鈕復位的電路。在實際應用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復位，如果這些復位端的復位點評要求與單片機的要求一致，則可以與之相連。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻率，成為壓控振蕩器。有些通訊系統(tǒng)的基頻和 射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。如果用戶想切換歌曲，則可直接按暫停鍵，這樣此程序函數(shù)就會提前結束，進入下一首歌曲的播放。當讀取到的數(shù)據(jù)已經(jīng)不足一扇區(qū)時，結束當前所播放的歌曲，讀取下一首歌曲的數(shù)據(jù)；如果所讀取的數(shù)據(jù) 超過一扇區(qū)，則將數(shù)據(jù)存入另一個扇區(qū)，并讀取這個扇區(qū)的數(shù)據(jù)。 其主要程序代碼為： Void playMP3(unsigned char *SongName) { Int i=0,j=0。i1024。 //向 MP3 解碼器數(shù)據(jù)寄存器送入一個數(shù) while(!PlayState)。} //如果選曲時，則重新播放當前曲目 while(!(MP3STA1amp。 if(m512) {NowPlaying++。 //向 MP3 解碼器數(shù)據(jù)寄存器送入一個數(shù) while(!PlayState)。} //如果選曲時 ，則重新播放當前曲目 while(!(MP3STA1amp。 1） Func，功能切換。//在選曲 /音量調節(jié) /音效調節(jié)三者之間切換 else if(CurrentFun==3) CurrentFun==1。當處于“音效（ EFFECTION）”狀態(tài)時，則改變音產生鍵盤中斷 判斷哪個鍵被按下 播放 向前 向后 功能切換 置播放 /暫停狀態(tài) 根據(jù)所處功能不同設置不同寄存器的值 切換功能 清中斷標志，等待下一次中斷 東北林業(yè)大學畢業(yè)設計 23 效寄存器的值。 //左聲道音量增大一檔 } break。 } break。 //置選曲標志位 break。源代碼如下： void previous() //按下“上一首 /音量增大”鍵時的處理 { switch(CurrentFun){ case VOLUME : //如果當前處于音量調節(jié)功能 { if(MP3VOR0x1f) //當前音量沒有達到最大時 { MP3VOR+=0x01。 MP3MED=0x0f。 //如 果當前播放歌曲不為第一首，則指向上一首 else NowPlaying=NumofSong1。 } } 4） Play Pause，播放 /暫