【文章內容簡介】 3 方案選擇 在確定了 MP3 音樂播放器的基本實現(xiàn)方案后，通過對資料的收集與對市場的考察，發(fā)現(xiàn)，基于單片機的 MP3 音樂播放器的整體方案大致相同，主要部分包括：中央處 理器（ STC89C51）、音頻解碼芯片、存儲設備、 USB接口、外部控制、串行通訊、電源模塊等組成，實驗初期制定了一下三個方案： 方案一：采用 ATMEL 公司生產的 STC89C51 作為中央控制芯片，YX520024SS 作為解碼芯片及數(shù)據通信芯片。 方案二：采用 ATMEL 公司生產的 STC89C51 作為中央控制芯片， U S B 總線的通用接口芯片使用 CH 375，飛利浦公司生產的 PHILIPS—SAA7550 作為音頻解碼芯片。 方案三：以 ATMEL。公司生產的 AT89C51SND1 作為主要控制芯片，該芯片是針 對數(shù)字媒體設備推出的一款專用芯片，因為在該芯片集成了對MP3 格式音樂文件，解碼的音頻解碼芯片。所以在是使用時，不需要再添加額外的解碼模塊。 在考慮了實際情況以及實現(xiàn)方案的困難度之后，本設計采用了方案一。首先相對于方案二，兩方案的主控芯片均為 ATMEL 公司生產的STC89C51 芯片，但是在音頻解碼模塊部分，方案一的集成度要遠高于方案二，實施起來也更為方便。方案一與方案三在芯片集成度與實施難度上差別不大，但 AT89C51SND1 芯片在本地市場及互聯(lián)網商城較難購買，因此在實地考察了市場，綜合分析了本設計的功能需求 與設計思路后，決定采用方案一，方案一具備的優(yōu)點如下 : 芯片較少，電路結構簡單。 軟件方面，可以使用 51 系列開發(fā)工具及語言進行實現(xiàn)。 價格適中，生產成本得到控制。 芯片較為常見，市場上易于購買。 YX5200 解碼芯片支持 TF、 FAT 文件系統(tǒng)，免去對底層繁瑣協(xié)議的了解，直接調用接口，比較方便。 本科畢業(yè)設計 （論文） 2. 系統(tǒng)基本技術的分析與介紹 MP3 音樂播放器的工作原理 什么是 MP3 及 MP3 音樂播放器的組成 隨著電子產品發(fā)展的加快， MP3 音樂播放器以時尚新穎的外形設計、強大的播放功能以及低廉的價格得到了廣大消費者的認可與厚愛。同時，也引起了許多電子發(fā)燒友的興趣。他們通過購買各種電子元件，以設計出有自己獨特風格的 MP3 為驕傲。 緒論里面已經介紹過， MP3 格式是 MPEG1 Layer3 的簡稱。與之對應的還有 MP1（ MPEG1 Layer1）以及 MP2（ MPEG1Layer2）。根據他們對音頻文件的壓縮率以及編碼器的復雜程度來區(qū)分三者。其中，對 MP MP2 壓縮率是 4。6。1 到 8。1，而 MP3 音頻文件 的壓縮率達到 10。1 至 12。1。雖然 MP3 對音頻信號有一種有損壓縮模式，但 MP3 所使用的“感覺編碼技術”最大限度地減少了語音失真。編碼時，通過分析音頻文件的頻譜，用濾波器過濾噪聲電平。然后，剩余的頻譜是分散的，并安排在一個定量的方式，并最終 MP3 文件形成。 MP3 音樂播放器主要由七部分組成，在其中兩部分最為關鍵，他們分別是中央處理器、音頻解碼芯片部分，中央處理器，即單片機。 MP3 音樂播放器的控制程序就是在他的基礎上運行的，也被稱之為固件程序（ fireware）， MP3 音樂播放器的所有功能模塊的運行以及數(shù)據的 交互都受它控制與調度。 MP3 文件要轉換成聲音，需要將以數(shù)字流存儲的文件，解碼成模擬音頻格式，這一轉化過程，就需要一個重要的芯片 頻解碼芯片，音頻解碼芯片把數(shù)字信號以 PCM 的格式解碼，以文件格式接受或發(fā)送數(shù)據給中央處理器的主機通訊端口。單片機還需要一個通信接口，來保持和其它設備的通信，此設計采用 USB 最為通信端口，在數(shù)據交換時遵守通信協(xié)議的 USB 通信協(xié)議、大容量移動存儲 SCSI 規(guī)范等協(xié)議； D\A 轉換的過程是數(shù)字音頻信號轉換為模擬音頻信號促進耳機和一個功率放大器等模擬音頻轉換成人耳識別信號；在通過音樂播放顯示 設備通常采用液晶顯示器等組件來配合展示相關信息；各個設備部件模塊間通過相應的軟件結構和實現(xiàn)的 MP3音樂播放的正常運行。 以下為 MP3 的整體原理圖： 本科畢業(yè)設計 （論文） 圖 21 MP3 整體原理圖 音頻的編碼及解碼過程 MP3 文件是幀組成的，幀是 MP3 文件的最小組成單位，類似于網絡傳輸中的數(shù)據幀， MP3 中的幀也包含幀頭和數(shù)據位以及幀的程度等信息。 MP3 文件主要可以分為三個部分：數(shù)據幀、 TAG_v1 幀、 TAG_v2 幀。不同的幀，包含著不同的內容，數(shù)據幀里面是歌曲的數(shù)字流信息， TAG_v1 幀一般在文件尾，主要包含歌曲的版本信息 ，例如作曲，演唱者、發(fā)行時間等。其大體信息如下所示： TAG_v2幀 數(shù)據幀 TAG_v1幀 圖 22 MP3 幀結構 MP3 格式音樂文件采用的是有損壓縮方式。雖然是有損壓縮，但是在“知覺編碼”和“感官編碼技術”的知識體系影響下， MP3 格式音樂文件在人耳能夠識別的聲音區(qū)域的音質和碼率都沒有受到影響。 MP3 格式音樂文件在壓縮時，采用了五大技術：最小聽覺閾限 (The minimal audition threshold)、屏蔽效果 (The masking effect)、字節(jié)蓄積 (The reservoir of bytes)、接合立體聲 (The Joint Stereo)、 Huffman 編碼 (The Huffman coding)。 [3] 首先，最小聽覺閾限技術，是根據 Fletcher 和 Munson 法則。將人耳可以感知的音頻信號劃分在 2KHz~5KHz 之間，而超出此范圍的聲音因為人耳無法感知，因此在編碼時，可以不對這一范圍內的聲音編碼。屏蔽效果，是 MP3 格式在壓縮文件是采用的另一個技術，他與最小聽覺閾限技術的思想是一致的，就是舍去不必要的聲音，在音樂文件中，可能有些聲音比較小，在同時出現(xiàn)聲調較高的音樂是，較小的這部分音樂可能回被屏蔽掉，而不能被人耳接聽，這部分聲音在編碼時也是可以省略掉的。因為音樂片段的音樂質量需要一定的速率編碼來保證。 MP3文件格式在編碼時，會壓縮給定速率較低的編碼段落，獲取的空間作為一個緩沖器勻給給定速率較高的編碼段落，從而實現(xiàn)減小文件體積的目的。在立體音響信號的情形下， MP3 格式采用“接合立體聲（ Joint Stereo）”和“ M\S 立體聲”的編碼方式來進一步壓縮音樂文件的格式。在播放時，通過 MP3 的解碼器將左右聲道重構成原來的格式。在壓縮編碼音樂文件的最后階段， MP3 使用 Huffman 算法技術來是編碼文件進一步被壓縮。相比較于前四種方法， Huffman 算法技術不是對音樂文件內容的壓縮而是對文件大小存儲方式的一個壓縮。因為 Huffman 碼具有唯一的前綴特性，對高概率出現(xiàn)的編碼符號在解碼時可以被正確的解碼而且速本科畢業(yè)設計 （論文） 度也非?？?，而在編碼時，采用 Huffman編碼可以節(jié)省約 20%的存儲空間。 Huffman編碼與我們學習數(shù)據結構時，接觸的 Huffman 樹原理相同， Huffman 樹是一種最優(yōu)二叉樹算法，通過把權值大的數(shù)據離根節(jié)點越近的算法，使得路徑的值最小，Huffman 編碼，根據各字母出現(xiàn)的頻率，對應不同的權值，用 Huffman 算法排列，使得程序所占空間得到減小。 編碼過程分析： 圖 23 編碼過程 在 A/D 轉換時， MP3 壓縮格式首 先對音頻文件進行量化處理，就像微分定力一樣，將連續(xù)的線性信號，按一定的時間間隔，將連續(xù)的線性信號變量隔離斷開轉換成，離散的數(shù)字信號，然后將得到的數(shù)據，轉換成二進制，再按 MP3 規(guī)定的規(guī)律進行編碼。這一過程稱為 A/D 轉換。 [4] 圖 24 量化過程分析 解碼分析： 作為一個音樂格式標準，解碼部分在 MP3 的應用領域所占的比重還是比較大的，畢竟對大多數(shù)用戶來說，他們使用 MP3 的主要目的是播放音樂文件，而非去制造一個音樂文件。解碼過程相對于編碼就比較簡單，計算機解碼時不需要參照人類心理聲學理論，也不必考慮文件的存儲和比特位的分配方式。在解碼時，只需要對讀到的比特流進行分析檢測，重點檢測數(shù)據幀的頻譜分布，以及數(shù)據幀的信息。將這些信息根據解碼的比例系數(shù)，重建為模擬信號。 MP3 的解碼過程與編碼過程相反，其主要步驟如下 第一步：比特流分解，首先把 MP3 文件用二進制的方式打開，從檢 測到的數(shù)本科畢業(yè)設計 （論文） 據流中依次讀取出 MP3 文件的頭信息，變信息以及比例因子信息等。 第二步： Huffman 解碼，因為編碼時采用的是 Huffman 編碼方式，解碼時也采用 Huffman 解碼方式進行解碼，因為 Huffman 解碼通過查表法實現(xiàn)解碼，因此可以達到節(jié)約 CPU 時間資源的目的，從而提高系統(tǒng)的運行速率。 第三步：逆量化處理，將存儲在 u 盤中的離散的數(shù)字化信號量轉換成連續(xù)的模擬量。 第四部：立體聲處理，因為在音頻編碼壓縮時將左右聲道做了處理，此時解碼過程中按照相反的公式將聲道重建還原成原來的格式。 第五步：頻譜重排列。 第六 步：抗鋸齒處理。 第七部： IMDCT 變換。 第八步：子帶合成。以上四步是為了將模擬信號在采樣過程中的壓縮狀態(tài)，通過公式變換，還原成壓縮前的狀態(tài)。 第九步： PCM 輸出。 PCM（脈沖，代碼，調制）脈沖編碼調制，立體聲和 環(huán)繞立體聲支持，被釋放并推出了 DVD 研討會在 1999 年。 MP3 解碼器的工作流程如下圖所示： 圖 25 解碼流程 將數(shù)字流的音樂文件通過解碼器解碼為模擬信號的過程稱為 D/A 轉換。 本小節(jié)主要介紹了 MPEG1 Layer3 格式音樂文件的編碼及解碼原理。通過介紹我們可以得知，編碼過程是解碼過程的反向執(zhí)行過程。壓縮編碼過程是將模擬音頻信號壓縮成數(shù)字信號，以便存儲。解碼播放過程是將存儲設備里的數(shù)字文件解碼成音頻模擬信號，以用來播放。 下圖為 MP3 音樂格式的壓縮與解壓過程框架圖： 同步并讀取幀頭 解碼邊信息 解碼比例系數(shù) 霍夫曼解碼 轉化為 PCM 采樣 逆離散余弦變化 刪除偽信號 重新量化 本科畢業(yè)設計 （論文） 圖 26 編碼解碼流程框架圖 主要功能芯片介紹 中央控制芯片 –STC89C51 STC89C51 芯片是 MCS51系列單片機的一個版本。 MCS51 系列單片機；一款高性能； 8位的單片機操作系統(tǒng)，在 1980年被 INTEL公司推出。其主要包括 8031；8051； 8751 三個子系列。在指令系統(tǒng)，芯片引腳；上完全兼容 8位 CPU；在 的 ~ 12MHz 的振蕩器頻率范圍取片；數(shù)據存儲器 128B 帶片內的 4cb；片外尋址尋址存儲器空間下片； 64KB 片外部數(shù)據尋址存儲器，用戶 64KB 的 128 字節(jié)尋址空間；空間；有 21 的四個特質；一個 8 位并行 I/O 接口： P。0， P。1， P。2， P。3；兩個 16 位 。定時器 /計數(shù)器； 1。 5 個兩級優(yōu)先中斷；全雙工串行 I/O 接口，其中，在多機通信時。第五條關于乘法和除法；日期，通過本指令，指令包含一個單一的片內的結構；強大；處理能力；單 +5 V 電源； [2] 分析濾波器組 比例器和量化器 哈夫曼編碼 掩蔽域值 邊信號編碼器 FFT MD CT 動態(tài)加窗 逆 MD CT動態(tài)加窗 合成濾波器組 逆比例器和量化器 哈夫曼解碼器 邊信號解碼器 MCU MCU 數(shù)字通信 本科畢業(yè)設計 （論文） 圖 27 C51 內部結構圖 STC89C51 芯片內部結構圖 從其芯片的內部結構圖，可以看出， 51內部的各個模塊，通過內部在線緊密連接，他的結構是外圍芯片加 CPU 的經典模式。功能部件的控制不同于一般微機的寄存器和接口寄存器控制。 CPU 與外圍設備不分離，采用專用功能