【正文】 于 16MHz 時(shí)，其最大傳輸速率可以達(dá)到16MHz/2=8MHz。 表 1 SCK 與振蕩器頻率關(guān)系 SPI2X1 SPR12 SPR02 SCK 頻率 0 0 0 Fsoc/4 0 0 1 Fsoc/16 0 1 0 Fsoc/64 0 1 1 Fsoc/128 1 0 0 Fsoc/2 1 0 1 Fsoc/8 1 1 0 Fsoc/32 1 1 1 Fsoc/64 注： 為 AVR 單片機(jī)內(nèi)部 SPI 狀態(tài)寄存器的 SPI 倍速位。另外， SD 卡含有集成的 SPI 接口，其工作速度比使用位操作模擬接口時(shí)序的方法操作更簡(jiǎn)單，效率也更加高。由此可知，MP3 所需單片機(jī)性能要求約為每微秒執(zhí)行 條指令。且其內(nèi)部含有 RC 振蕩電路，無(wú)須提供外部時(shí)鐘仍然能夠正常工作。 最值得一提的是， ATmega32 內(nèi)部含有 8 通道的 10 位 ADC 電路， 4 路 PWM 通道，可編程串口和支持主機(jī) /從機(jī)工作模式的 SPI 接口。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]。本論文采用 AVR 系列的 ATmega32單片機(jī)，其具有更高的工作性能。 AVR單片機(jī)簡(jiǎn)介 普通 MP3 文件大小都在 38MB 之間，每個(gè)文件的播放時(shí)間約為 5 分鐘，按這樣計(jì)算，單片機(jī)的處理能力必須在 200kb/s 以上，加之 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，故單片機(jī)的處理能力必須在 600kb/s 以上，即每微秒執(zhí)行 條指令。 2 硬件設(shè)計(jì) 本章介紹 基于 SD 卡的 MP3 播放器的硬件設(shè)計(jì)。 第四章是對(duì)利用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)制作電路板的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明、介紹。 第三章是對(duì)基于 SD 卡的 MP3 播放器的軟件分析及設(shè)計(jì)。 論文的結(jié)構(gòu)安排 5 本論文的組織 與內(nèi)容安排為： 第一章介紹基于 SD 卡的 MP3 播放器設(shè)計(jì)的基本框架，以及課題的背景及意義，并論述了研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，最后說(shuō)明了本論文的組織結(jié)構(gòu)。 此次設(shè)計(jì)屬于基礎(chǔ)應(yīng)用型，最終要求做出電路，根據(jù)成本預(yù)算，采用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)較為方便，成本也相應(yīng)較低。 (4) 能夠顯示出英文或數(shù)字音頻文件的名字。 (2) 通過(guò) mp3 解碼芯片播放出原音頻文件。而對(duì)其進(jìn)行讀寫操作也與其它存儲(chǔ)器不同，每次讀寫均需寫入相應(yīng)的命令控制字，否則，對(duì) SD 卡 的操作均為無(wú)效操作。 SD 屬于存儲(chǔ)設(shè)備，但是，它卻與一般存儲(chǔ)設(shè)備不同。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。 (4) 了解 mp3 解碼芯片的相關(guān)使用。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 MP3 解碼芯片處理效率 ，增加設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。 (3) 分析出 mp3 解碼方法。 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)。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。 由于此次論文要求對(duì) SD 卡數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，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。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。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 4 實(shí)時(shí)編碼都是采用專用的 DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些芯片大部分價(jià)格較高 [8]。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。 此次設(shè)計(jì)的突出優(yōu)勢(shì)是： (1) 突破了存儲(chǔ)容量限制?，F(xiàn)在 一般個(gè)人隨身攜帶使用 MP3存在容量固定，性價(jià)比較低的情況。在 MP3的研究上，由于市場(chǎng)趨近飽和，多數(shù)公司 都將精力集中在外觀造型上，對(duì)其功能及性價(jià)比的探索趨勢(shì)相對(duì)較弱。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]。在這一年中，無(wú)論是從本身的品質(zhì)，還是市場(chǎng)銷售的情況來(lái)看， MP3已經(jīng)完全占有了市場(chǎng)，成為隨身聽行業(yè)的霸主 [6]。許多人都愿意付少量錢到 Apple官方站下載單歌， 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]。這些程序使得普通用戶很容易地播放、制作、共享和收集 MP3文件 [4]。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]。 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隨身聽的問(wèn)世開始。故這類 mp3 價(jià)格是一般 mp3 的好幾倍。這也是本次設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。這樣就造成了用戶成本上的增加，使用戶得不償失。但其容量無(wú)法擴(kuò)展，為用戶以后的使用造成了極大不便。 隨著存儲(chǔ)器微型化快速發(fā)展，無(wú)法擴(kuò)展容量的 mp3 已經(jīng)很難滿足人們的需求。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。 2020 年消費(fèi)類電子在中國(guó) Mcu 市場(chǎng)的需求所占份額超過(guò)了百分之四十 [1]。顯示輸出主要是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)狀態(tài)顯示以便對(duì)其操作。 (4) 輸出模塊 此部分主要包括音頻輸出、顯示輸 出。鍵盤部分主要用來(lái)控制對(duì) MP3 的操作。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。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。其基本框架見圖 1。 Audio Decoder。 AVR Micro Chip Unit。 The second, this paper introduce the design of the system and its implementation deeply, and emphasize the SD card, FAT format, decoder chip and softwaredriven design。 1 基于 SD卡的 MP3 播放器設(shè)計(jì) 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發(fā)前景和本設(shè)計(jì)在 Atmel 公司生產(chǎn)的atmega32單片機(jī)上的實(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； FAT分析 The Designed Of Mp3 Player Based On SD Card Abstract: In this paper, first of all it studys the overall of the design and the presentation of the MP3 player based on SD card, then discusses the system hardware, software choices and specific developing and debugging environment。 Finally, it describes the aspects of the work for performance optimization and its development prospects in detail, and using microcontroller atmega32 which is produced by the Atmel achieved good results. Keywords: MP3 Player。 SD Card。 FAT analysis 1 緒論 基于 SD卡的 MP3概述 基于 SD 卡的 MP3 系統(tǒng)組成 基于 SD 卡的 MP3 播放器主要由主控制器、 SD 卡、解碼芯 片、鍵盤、顯示器等五部分組成。 2 (1) 控制模塊 控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。 (2) 解碼模塊 這是系統(tǒng)中又一重要模塊。 (3) 輸入模塊 此模塊可大致分為鍵盤部分和 SD 卡部分。 SD 卡部分主要是對(duì) SD 卡的讀取。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 SD 卡的 MP3 播放器的特點(diǎn) 在半導(dǎo)體行業(yè)中，消費(fèi)類電子是近年來(lái)發(fā)展最迅猛的一個(gè)領(lǐng)域。 現(xiàn)在 mp3 技術(shù)已基本成熟，一般 mp3 都采用專用 DSP 芯片和集成的數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)器。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，使 mp3 的容量能夠方 便地得到擴(kuò)展 。雖然一些 mp3 容量已經(jīng)達(dá)到 2G、 4G 甚至 8G。當(dāng)用戶想要擴(kuò)展容量時(shí)，不得不再換一個(gè)新的 mp3。而 SD 卡 mp3 的出現(xiàn)則可以解決用戶的這一煩惱。 另外， mp3 為了達(dá)到音質(zhì)效果的完美，往往采用高檔 DSP 器件作為專門的解 顯示模塊 輸入模塊(SD/鍵盤 ) 控制模塊 SD卡 解碼器 輸出模塊 卡解碼器輸出模塊圖 1 基本框架圖 3 碼播放芯片，這樣雖然在效果上取得較大的突破，但 mp3 格式本身的限制，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，且這些提高對(duì)于成本來(lái)說(shuō)是得不償失的。本論文采用一般的單片機(jī)控制和 mp3 格式解碼芯片實(shí)現(xiàn)。這臺(tái)磁帶機(jī)音樂(lè)系統(tǒng)開啟了個(gè)人娛樂(lè)市場(chǎng)的大門，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]。 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。 Apple iPod作為一款 MP3，它在很多方面并不出色，但它卻是第一個(gè)把互聯(lián)網(wǎng)音樂(lè)與 MP3隨身聽捆綁銷售的產(chǎn)品。 直到 2020年，隨著隨身聽的發(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。 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，開始轉(zhuǎn)向多功能方向發(fā)展。目前消費(fèi)類電子產(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]。 課題研究的意義 本次論文主要是為了開發(fā)出一套低成本、可擴(kuò)展容量的 MP3。此次論文便是根據(jù)這些情況而設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)提供了 SD卡接口，可以方便地訪問(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。 (2) 低成本。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)編碼滿足音質(zhì)要求。 論文研究的內(nèi)容和目標(biāo) 論文研究的內(nèi)容 (1) 分析 FAT32 磁盤文件格式。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。 (2) 分析 mp3 文件格式。故進(jìn)行 MP3 格式的分析有助于編寫相應(yīng)分析程序，并為控制 MP3 解碼芯片作出必要的準(zhǔn)備。 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)。如果對(duì) MP3 解碼不夠了解，就可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。 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，找出性價(jià)比高且外圍電路簡(jiǎn)單的芯片就顯得比較重要。 (5) 對(duì) Mini SD 卡的初始化及文件讀寫。其與集成芯片相似，需要對(duì)其初始化才能正常工作。 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。 (3) 通過(guò)控制部分，能夠進(jìn)行上一曲、下一曲的切換等。 (5) 能夠設(shè)計(jì)出相應(yīng)電路圖并用熱轉(zhuǎn)印技術(shù)做出電路板。只要電路接線及布線正確便可以完成電路板的制作。 第二章介紹了 MP3 播放器的硬件電路設(shè)計(jì)，以及對(duì)設(shè)計(jì) MP3 所需單片機(jī)的性能要求所作的簡(jiǎn)要分析。其中，包括各種硬件驅(qū)動(dòng)程序的分析、設(shè)計(jì)及組合等情況。 第五章是對(duì)基于 SD 卡的 MP3 播放器的效果進(jìn)行測(cè)試分析，以及本次設(shè)計(jì)的前景和展望分析。其流程如圖 2。 51 系列單片機(jī)大部分指令為雙周期指令，當(dāng)工作頻率在12MHZ時(shí)，每條指令需要 2μm，其工作性能不夠。 ATmega32 單片機(jī)屬于 AVR 單片機(jī)中配置較高的產(chǎn)品，其所有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)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 ATmega32 單片機(jī)內(nèi)部有先進(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，還有 32KB 系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，獨(dú)立的鎖定位，可對(duì)芯片進(jìn)行軟件加密以及 1KB的 EEPROM和 2KB的片 內(nèi) SRAM。其中， SPI 接口通信速度可達(dá)到 2MB/s,本設(shè)計(jì)的 SD 卡及解碼芯片均含有 SPI 接口，故此接口給設(shè)計(jì) 帶 來(lái)了很大方便。 性能分析 選擇器件 接口設(shè)計(jì) 硬件測(cè)試 結(jié)束 圖 2 硬件設(shè)計(jì)流程圖 6 AVR單片機(jī) SPI接口性能分析 ATmega32 單片機(jī)在工作在 16MHz 時(shí)能達(dá)到 16MIPS(即 16 百萬(wàn)條指令每秒 )的速度，即每執(zhí)行一條指令的時(shí)間為 ，是 51 系列單片機(jī)的 12 倍。故 ATmega32 單片機(jī)符合MP3 設(shè)計(jì)的要求。 SCK 與振蕩