1.引言

MP3是生活中常見的電子產(chǎn)品。受手機(jī)、paid的沖擊，當(dāng)前人們對(duì)MP3功能的要求更加差異化和苛刻。傳統(tǒng)MP3功能單一，芯片處理能力較差，大多無法播放高音質(zhì)音樂文件。基于這一問題本文提出一種基于51增強(qiáng)型單片機(jī)的低成本多功能大容量MP3解決方案，在可播放高音質(zhì)MP3歌曲的基礎(chǔ)上加入圖片播放和電子書播放，以應(yīng)對(duì)MP3功能的差異化需求。詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

2.硬件設(shè)計(jì)

本多功能MP3由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、音頻解碼、液晶顯示、中心控制、電源、鍵盤等功能模塊構(gòu)成。

2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

選用Kingston SDHC卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。SDHC卡是一種高容量SD存儲(chǔ)卡，容量在2GB～32G，符合SD2.0規(guī)范，可采用FAT32文件系統(tǒng)管理。單片機(jī)通過通信讀寫SDHC卡命令和狀態(tài)寄存器完成相關(guān)操作工作。SD卡內(nèi)部有7個(gè)寄存器。其中OCR，CID，CSD和SCR寄存器保存卡的配置信息：RCA寄存器保存SD模式下通信過程SDHC卡當(dāng)前暫時(shí)地址;卡狀態(tài)（Card Status）和SD狀態(tài)（SD Status）寄存器保存卡當(dāng)前狀態(tài)，如：是否寫成功，通信的CRC校驗(yàn)是否正確等，這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容與通信模式有關(guān)。

須注意SD卡的工作電壓為3.3V，不能與5V單片機(jī)直接相連，可在SD模塊集成5-3.3V轉(zhuǎn)換電路，方便單片機(jī)與SDHC卡的耦合。

2.2 音頻解碼模塊

MP3文件其實(shí)是一種經(jīng)過MP3（即動(dòng)態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面）編碼算法壓縮的數(shù)據(jù)，不能直接送給功放，必須先通過解碼還原出原始音頻數(shù)據(jù)再進(jìn)行播放。本文所選解碼芯片為VLSI公司的VS1003，它支持MP3/WAV/WMA/MIDI音頻解碼和ADPCM編碼。VS1003的工作是通過對(duì)功能、狀態(tài)寄存器的讀寫完成的。其中控制信息通過SCI寫入功能寄存器，音頻數(shù)據(jù)通過SDI寫入VS1003數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。寫音頻數(shù)據(jù)時(shí)，拉低XDCS，SDI有效;寫命令數(shù)據(jù)時(shí)，拉低XCS，SCI有效。須注意，VS1003在DREQ管腳為高電平時(shí)才可以接收數(shù)據(jù)。當(dāng)工作在解碼狀態(tài)時(shí)它通過一個(gè)串行接口接收比特流，比特流被解碼后通過數(shù)字音量控制器被送到18位DAC，得到的音頻模擬信號(hào)經(jīng)過功放被送到耳機(jī)接口，接上耳機(jī)即可聽到音樂聲。

2.3 單片機(jī)控制模塊

本文采用宏晶公司STC15F2K60S2單片機(jī)作為控制器，其2K字節(jié)片內(nèi)RAM可滿足系統(tǒng)運(yùn)行RAM要求;該單片機(jī)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度快，可滿足MP3播放數(shù)據(jù)交換要求;內(nèi)置SPI串行通信接口，易于與SD模塊、VS1003模塊耦合操作。該單片機(jī)的工作電壓5.5V～3.8V的寬電壓，推薦5V，須做好與SD卡管腳3.3V工作電壓的耦合，以防SD卡損壞或工作失常。

2.4 TFT液晶顯示模塊

TFT液晶即彩色晶體管液晶顯示器，它的像素點(diǎn)由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)，通過一定電路控制每一像素三基色光強(qiáng)的配比即可顯示各種彩色。8位單片機(jī)系統(tǒng)下的TFT液晶的顯示需要TFT液晶控制器來驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)可通過與TFT液晶控制器的交互間接控制TFT液晶的顯示。

本文顯示模塊采用的是一款3.5寸320*480分辨率的16位真彩色TFT液晶屏。模塊采用8位并口方式與單片機(jī)連接，可通過8位的標(biāo)準(zhǔn)Intel8080總線進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，便于操作。

TFT液晶的顯示是將圖形中每個(gè)像素點(diǎn)的位置和顏色信息在屏上對(duì)應(yīng)顯示，16位真彩色屏每一個(gè)像素點(diǎn)的位置信息（即坐標(biāo)）和顏色信息按照一定格式存儲(chǔ)在兩個(gè)字節(jié)中。單片機(jī)操作時(shí)在對(duì)應(yīng)模式下將圖案所有像素點(diǎn)的信息送給控制器，在顯示器上通過像素點(diǎn)的點(diǎn)陣組合便可完成顯示。

3.軟件設(shè)計(jì)

本多功能MP3具備三大功能：歌曲播放、圖片播放、電子書播放。目標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取是實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能的首要問題。由于歌曲、圖片、電子書文件大，在SDHC卡以簇鏈形式存儲(chǔ)，需由文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，故嵌入FAT32文件系統(tǒng)（znFAT）解決上述問題。在此基礎(chǔ)上完成每個(gè)子功能與之相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)整體運(yùn)行框架即可實(shí)現(xiàn)全部功能。

3.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取需保證SDHC卡的正確驅(qū)動(dòng)和FAT32文件系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 SDHC卡的驅(qū)動(dòng)

（1）初始化操作

①延時(shí)至少74clock，等待SD卡內(nèi)部操作完成。

②拉低CS選中SD卡。

③發(fā)送CMD0，若返回0x01，進(jìn)入Idle狀態(tài)。

④發(fā)送CMD8命令，若返回0x01，初步判斷為2.0卡，循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，直至返回0x00，確定SD2.0卡初始化成功。

⑤拉高CS。

（2）讀數(shù)據(jù)操作

①發(fā)送CMD17（讀取單個(gè)扇區(qū)）或CMD18（連續(xù)讀取多個(gè)扇區(qū)）讀命令，返回0x00表示操作成功。

②接收數(shù)據(jù)：格式為開始令牌（0xfe）+512B正式數(shù)據(jù)+2B CRC校驗(yàn)碼。

（3）寫數(shù)據(jù)操作

①發(fā)送CMD24（寫單個(gè)扇區(qū)）或CMD25（連續(xù)寫多個(gè)扇區(qū)）寫命令，返回0x00表示操作成功。 　　②發(fā)送數(shù)據(jù)：格式為開始令牌（0xfe）+512B正式數(shù)據(jù)+2B CRC校驗(yàn)碼。

（4）擦除操作

①發(fā)送CMD32擦除開始地址。

②發(fā)送CMD33和擦除結(jié)束地址。

③發(fā)送CMD38，擦除指定的多扇區(qū)內(nèi)容。

SDHC驅(qū)動(dòng)常用函數(shù)如下：

函數(shù)定義 功能與參數(shù)描述

SD_Init（） SD卡初始化

SD_Write_Sector（addr，buffer） 將buffer中的數(shù)據(jù)寫入到addr扇區(qū)中

SD_Read_Sector（addr，buffer） 讀取addr扇區(qū)中數(shù)據(jù)到buffer中

SD_Write_nSector（nsec，addr，buffer） 將buffer中的數(shù)據(jù)寫入到addr開始的nsec個(gè)扇區(qū)中

SD_Read_nSector（nsec，addr，buffer） 讀取addr開始的nsec個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)到buffer中

SD_Erase_nSector（addr_sta，addr_end） 擦除addr_sta開始addr_end結(jié)束的多個(gè)扇區(qū)

SD_GetTotalSec（） 獲取SD卡的物理總扇區(qū)數(shù)

4.FAT32文件系統(tǒng)

本文文件系統(tǒng)選擇免費(fèi)開源系統(tǒng)znFAT。znFAT的整體結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層層、實(shí)現(xiàn)層、物理驅(qū)動(dòng)層，用戶只需編寫物理驅(qū)動(dòng)層扇區(qū)讀寫等函數(shù)?？晒┯脩舨僮鞯墓δ馨ù蜷_文件、讀取數(shù)據(jù)、創(chuàng)建文件等;

本文中涉及最多的是數(shù)據(jù)的讀取，讀取數(shù)據(jù)可通過“打開文件函數(shù)UINT8 znFAT_Open_File（struct FileInfo *pfi，INT8 *filepath，UINT32 n，UINT8 is_file）”和“讀取數(shù)據(jù)函數(shù)UINT32 znFAT_Read_File（struct FileInfoStruct *pfi，UINT32 offset，UINT32 len，UINT8 *pbuf）”來完成。

4.1 歌曲播放

歌曲播放是STC15F單片機(jī)通過文件系統(tǒng)讀取SDHC卡中的MP3文件，將MP3數(shù)據(jù)送給VS1003模塊解碼得到模擬音頻信號(hào)流的過程。同時(shí)通過MP3文件文件目錄項(xiàng)信息解析出文件名（歌曲名）;用文件已讀取字節(jié)數(shù)量除以文件總大小得到播放進(jìn)度;在VS1003打入頻譜補(bǔ)丁的前提下從地址0x6 0x7 0xa三個(gè)寄存器中讀出頻譜相關(guān)信息;并逐一顯示。播放過程中，按鍵可以切換歌曲，調(diào)節(jié)音量。歌曲的切換是通過改變系統(tǒng)內(nèi)部為不同歌曲分配的不同序列號(hào)而完成的。由于一方面單片機(jī)RAM有限，無法單次讀取太多MP3數(shù)據(jù)且一次讀取過多會(huì)因耗時(shí)過多而引起播放的卡頓;另一方面，兩次數(shù)據(jù)讀取中間有按鍵檢測，若一次讀取數(shù)據(jù)過多會(huì)降低按鍵的靈敏性。要實(shí)現(xiàn)邊播放邊檢側(cè)按鍵需找到一個(gè)單次讀取數(shù)據(jù)量的平衡點(diǎn)，建議選擇300B。

播放過程需解決VS1003驅(qū)動(dòng)問題和相關(guān)數(shù)據(jù)處理。VS1003驅(qū)動(dòng)方法如下：

單片機(jī)對(duì)VS1003驅(qū)動(dòng)是通過SPI通信方式對(duì)VS1003的命令狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀取和刷寫而完成的。使用時(shí)須首先對(duì)VS1003硬件復(fù)位，將XRESET拉低并延時(shí);其次向模式寄存器（地址0x0）寫入0X0804;再次設(shè)置時(shí)鐘寄存器（地址0x3）和采樣率寄存器（地址0x5）;最后設(shè)置音量且發(fā)送4個(gè)無效數(shù)據(jù)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，4個(gè)無效數(shù)據(jù)的傳輸不能忽略。其中VS1003采用大端模式;音量寄存器的設(shè)置值為0～255，對(duì)應(yīng)音量的最大和最小，編程時(shí)需注意。

數(shù)據(jù)處理偽代碼如下：

void Mp3play（）

{

//相關(guān)變量定義

//文件系統(tǒng)及相關(guān)物理設(shè)備初始化

//刷寫播放背景

while（！znFAT_Open_File（&FileInfo，”＼＼歌曲＼＼*.mp3”，Sang_Num，1））//打開歌曲目錄下序號(hào)為1的歌曲文件

{

while（ len = znFAT_Read_File（&FileInfo，F(xiàn)ileInfo.FileCurOffset，400，mp3_buf））//讀出部分MP3數(shù)據(jù)

{

//MP3數(shù)據(jù)發(fā)送給VS1003

VS_XDCS = 0;

for（ i=0; i《len; i++）

{

VS_Send_Dat（mp3_buf［i］）;

}

VS_XDCS = 1;

//播放進(jìn)度顯示

//頻譜顯示

}

//歌曲名顯示

//按鍵檢測及處理

}

}

4.2 圖片播放

圖片播放類似于歌曲播放，不同在于讀出的圖片文件數(shù)據(jù)發(fā)送給TFT顯示屏模塊進(jìn)行顯示。由于所選顯示屏分辨率為320*480，單次數(shù)據(jù)讀取大小建議為320，則兩次讀數(shù)據(jù)寫屏過程便可寫滿顯示屏的一行，重復(fù)書寫320行即可完成圖片顯示。

4.3 電子書播放

電子書播放的首要問題是漢字顯示。漢字的顯示就是以字模信息為底本在顯示屏上畫圖，以某漢字字模信息為底本畫出的圖即是該漢字。本文選擇的字模庫是UCDOS操作系統(tǒng)下的漢字字模庫HZK16.dat。

txt文件存儲(chǔ)信息實(shí)質(zhì)為漢字在字模庫中的區(qū)碼和位碼。首先從SDHC卡分多次讀出txt文件數(shù)據(jù)，其中每個(gè)漢字信息由兩個(gè)字節(jié)儲(chǔ)存，每個(gè)英文字母及英文標(biāo)點(diǎn)由一個(gè)字節(jié)儲(chǔ)存。字節(jié)內(nèi)容為字符在字模庫中的位置，漢字字模位置可由公式“字模在HZK16中的偏移量=［（區(qū)碼-1）*94+（位碼-1）］*32”算出;接著用“UINT8 znFAT_seek（struct FileInfo *pfi，UINT32 offset）函數(shù)（znfat功能層函數(shù)）”讀出16*16漢字的32字節(jié)字模信息并將對(duì)應(yīng)漢字刷寫在顯示屏上。重復(fù)以上漢字的顯示過程便可實(shí)現(xiàn)電子書的播放。建議每次讀取的txt文件大小為200B，需特別注意的是，須檢測每次讀取最后一個(gè)字節(jié)是不是英文字母或英文標(biāo)點(diǎn)，是則讀，若不是或是下個(gè)漢字的區(qū)碼，則不讀，以免造成漢字顯示紊亂。同時(shí)，在每次txt文件讀取的間隙進(jìn)行按鍵處理，包括上下頁、上下篇、返回等。

5.實(shí)物調(diào)試及結(jié)果

經(jīng)過制板和元件焊接，完成實(shí)物制作。將SDHC卡格式化為FAT32格式，裝入歌曲、圖片、電子書文件。將內(nèi)存卡裝入卡座進(jìn)行測試。各方面功能正常，可正常播放320kbs音樂文件、300K 320*480的二進(jìn)制圖片文件、txt電子書文件。MP3文件的播放可以暫停，切換上下去，快進(jìn);圖片的播放可切換上下張;txt的播放可上下翻頁，可切換篇，查看進(jìn)度。但圖片刷寫和電子書刷寫稍稍顯慢，這是受單片機(jī)處理速度所限，但也在可承受范圍。

6.結(jié)語

雖然當(dāng)前電子產(chǎn)品日益豐富，但由于MP3的便攜性和專業(yè)性，相信MP3不會(huì)走出人們的視角，并會(huì)將以功能個(gè)性化作為主打，在不遠(yuǎn)的將來，MP3的功能及設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)個(gè)人定制。本文即是針對(duì)當(dāng)前MP3功能差異化需求現(xiàn)象做出的一次嘗試，設(shè)計(jì)了一款多功能MP3，旨在滿足當(dāng)下人們對(duì)電子產(chǎn)品功能的差異化需求。該設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，成本低，宜于批量化生產(chǎn)。