移動(dòng)卡拉OK系統(tǒng)

　引言

　　在當(dāng)今這樣一個(gè)充滿競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn)的社會(huì)，人們的生活顯得日益緊張而繁忙，同時(shí)也對(duì)休閑娛樂的要求越來越高。卡拉OK作為一種休閑娛樂項(xiàng)目一直備受人們青睞。但人們?cè)诔钑r(shí)往往被局限于狹小的卡拉OK廳內(nèi)，行動(dòng)、思維、靈感上都大大受到影響，無法最佳發(fā)揮。針對(duì)這種現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種基于U盤存儲(chǔ)的體積小巧的移動(dòng)卡拉OK系統(tǒng)。用戶可以在精心設(shè)計(jì)的環(huán)境中隨心所欲地引吭高歌，充分展示自己的激情與靈感，使人與音樂達(dá)到完美結(jié)合。

　　系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)以AT89C51SND1C為核心處理器，采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM4832、LMV722和LM4838作為立體聲音頻功率放大器，以CS4330為音頻DAC，K9F5608U0A為存儲(chǔ)器并通過USB接口與主機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)歌曲播放與麥克風(fēng)輸入；同時(shí)輔以鍵盤輸入控制和LCD實(shí)時(shí)顯示。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　歌曲播放部分設(shè)計(jì)

　　歌曲播放部分主要實(shí)現(xiàn)歌曲播放與麥克風(fēng)輸入，即實(shí)現(xiàn)音樂與用戶歌聲的融合，是系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)采用AT89C51SND1C作為中央處理器。Flash中存儲(chǔ)的MP3文件經(jīng)解碼器解碼后輸出I2S格式的數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后輸出左右兩路微弱的音頻模擬信號(hào)，分別作為L(zhǎng)M4832左右聲道的輸入信號(hào)。本設(shè)計(jì)利用LM4832、LMV722和LM4838的巧妙結(jié)合(如圖1所示)，對(duì)音樂信號(hào)和用戶歌聲進(jìn)行混合和功率放大，達(dá)到絕佳的音響效果。

　　LM4832是具有I2C接口的數(shù)控音質(zhì)音量的立體聲音頻功率放大器。它的左右聲道、高低音均獨(dú)立可調(diào)，并具有3D音響效果和軟件可控低功耗休眠模式。此外，它還提供兩路獨(dú)立可選的麥克風(fēng)輸入前置放大與音量控制，這就使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)卡拉OK的功能成為可能。但LM4832的音頻輸出與麥克風(fēng)輸出是獨(dú)立的，這就需要對(duì)歌曲和用戶歌聲進(jìn)行前置混合。在此采用LMV722構(gòu)成的加法運(yùn)算電路，它具有低噪聲高增益帶寬的特點(diǎn)，其增益帶寬高達(dá)10MHz，完全滿足本系統(tǒng)的要求。由于LMV722是單電源供電的，要結(jié)合前級(jí)輸入信號(hào)幅值來設(shè)計(jì)它的直流偏置電壓值，同時(shí)其輸出的兩路混合信號(hào)要經(jīng)過濾波電路濾除其直流偏置后方可作為后級(jí)功放輸入。為了達(dá)到卡拉OK震撼人心的音響效果，需要對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，因此選用功率高達(dá)2W的LM4838音頻功率放大器。它具有DC音量控制、可選內(nèi)外部增益、低音加重等特點(diǎn)，并帶有過熱保護(hù)電路和低功耗休眠模式（休眠電流為0.7 A）。這里通過螺旋電位器來調(diào)節(jié)功率大小。LM4838輸出提供揚(yáng)聲器和耳機(jī)兩種接口，而且兩者之間可以方便切換，使得用戶可以隨意改變自己的方式。

　　值得注意的是：在整個(gè)音頻功放實(shí)現(xiàn)過程中，要合理分配每級(jí)電路的增益，以免音頻信號(hào)失真。 LCD實(shí)時(shí)顯示部分設(shè)計(jì)

　　LCD用于實(shí)時(shí)歌詞和狀態(tài)顯示。由于Windows 系統(tǒng)自帶的字庫有267K之多，因此選用容量為512K的Flash W29C040來存放字庫。同時(shí)考慮到主處理器RAM大小及音頻解碼的連續(xù)性，我們選用一片單片機(jī)（即從處理器）來專門處理LCD的顯示，它與主處理器之間通過串口（UART）來通信。LCD上的每個(gè)漢字是以16 16點(diǎn)陣方式來顯示的，需用32字節(jié)來表示；每個(gè)ASCII字符是以8 16點(diǎn)陣方式顯示,需用16字節(jié)來表示。而1首歌曲歌詞文件（*.lrc）一般有1～2K字節(jié)左右大小，故采用外擴(kuò)RAM(62256)來存儲(chǔ)歌詞文件。整個(gè)LCD顯示部分采用總線結(jié)構(gòu)，編程簡(jiǎn)單方便，處理數(shù)據(jù)游刃有余。

　　U盤設(shè)計(jì)部分

　　歌曲的存放與更新采用USB接口。存儲(chǔ)器大小可以自選，作為代表性實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)采用32M Flash K9F5608U0A作存儲(chǔ)器。U盤設(shè)計(jì)的硬件電路十分簡(jiǎn)單，只需將Flash和主處理器的一些相應(yīng)引腳相連即可。U盤設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，在后文將會(huì)詳細(xì)介紹。為了保證系統(tǒng)能正確識(shí)別出當(dāng)前狀態(tài)是處于U盤狀態(tài)，還是處于歌曲播放狀態(tài)，需要設(shè)置狀態(tài)判定電路，如圖2所示。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要包括歌曲播放和USB通信程序。系統(tǒng)上電后，根據(jù)P3_4口判斷當(dāng)前所處的狀態(tài)而分別執(zhí)行相應(yīng)的程序代碼。 歌曲播放軟件設(shè)計(jì)

　　歌曲播放器程序要與鍵盤和LCD配合起來設(shè)計(jì)。程序流程大概可分為：硬件初始化→獲取U盤中mp3歌曲列表→歌曲播放和LCD顯示。

　　硬件初始化主要負(fù)責(zé)mp3解碼器的時(shí)鐘設(shè)置、Flash復(fù)位和 LM4832的初始化，這是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。LM4832上電時(shí)，其聲道音量和麥克風(fēng)音量均為無聲狀態(tài)，表1為左聲道的I2C數(shù)據(jù)流格式真值表，其他類似，具體可參考LM4832芯片資料。因此需設(shè)置各狀態(tài)初始值，將各初始值均設(shè)在0dB。另外硬件初始化還包括鍵盤、LCD、UART初始化等工作。

獲取U盤中的mp3歌曲列表通過查找U盤根目錄區(qū)中每個(gè)目錄項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將歌曲數(shù)目通過串口發(fā)送給LCD顯示從處理器。

　　歌曲播放和LCD顯示是程序的核心部分。主處理器和LCD從處理器之間通過串口進(jìn)行通信，以達(dá)到歌曲播放與歌詞顯示的同步以及鍵盤操作狀態(tài)的及時(shí)刷新。其程序流程圖如圖3所示。

　　MP3解碼器一旦開始工作，就會(huì)一直向 CPU請(qǐng)求數(shù)據(jù)，直至歌曲結(jié)束。只有用鍵盤操作才能中斷CPU。鍵盤操作總共4個(gè)按鍵（Menu/Previous/Next/Play）。Menu負(fù)責(zé)功能切換，共有5項(xiàng)功能：歌曲音量控制、高音調(diào)節(jié)、低音調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)音量控制和歌曲選擇。在不同功能下Previous和Next分別代表不同的含義。在音量控制上為加/減音量，在歌曲選擇上為上一首/下一首歌曲。LCD在顯示歌詞的同時(shí)實(shí)時(shí)顯示鍵盤操作狀態(tài)，以便用戶操作。

　　USB海量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

　　主處理器讓USB海量存儲(chǔ)設(shè)備在批量傳輸方式下工作，這樣共需要3個(gè)端點(diǎn)。

　　0端點(diǎn)：控制端點(diǎn)。用于控制傳輸，PC機(jī)通過與端點(diǎn)0相對(duì)應(yīng)的管道來讀取設(shè)備描述符，完成對(duì)設(shè)備地址的設(shè)置，并完成配置。此端點(diǎn)為雙向數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)。

　　兩個(gè)非0端點(diǎn)：批量傳輸端點(diǎn)。這種端點(diǎn)為單向數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，分別為批量輸入端點(diǎn)和批量輸出端點(diǎn)。

　　主處理器通過一個(gè)端點(diǎn)中斷寄存器（UEPINT）和PC機(jī)通信。如果某個(gè)端點(diǎn)完成了相應(yīng)的操作，就會(huì)引發(fā)中斷。U盤主程序流程圖如圖4所示。

　　當(dāng)USB設(shè)備插入到PC機(jī)時(shí)，PC機(jī)一旦檢測(cè)到設(shè)備后，就會(huì)通過控制管道向默認(rèn)地址發(fā)送USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，進(jìn)入設(shè)備配置階段，即PC機(jī)向設(shè)備索取各種描述符的過程，如Get Descriptor、Set Address、Set Configuration等。每當(dāng)設(shè)備收到主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，便會(huì)觸發(fā)端點(diǎn)中斷寄存器中端點(diǎn)0所代表的位。此時(shí)，應(yīng)讀取端點(diǎn)0的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對(duì)照USB 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求的數(shù)據(jù)格式，對(duì)請(qǐng)求類型進(jìn)行識(shí)別，然后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理函數(shù)。配置完成后，主機(jī)便使用在描述符中所選定的命令塊向批量傳輸端點(diǎn)發(fā)送控制消息和數(shù)據(jù)。

　　在批量傳輸方式下，有3種類型的數(shù)據(jù)在USB和設(shè)備之間傳送：CBW、CSW和普通數(shù)據(jù)。因此，批量傳輸階段程序設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要識(shí)別來自批量輸出端點(diǎn)的CBW與數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過批量輸入端點(diǎn)向主機(jī)回傳相應(yīng)的CSW或數(shù)據(jù)。PC機(jī)依次向設(shè)備發(fā)出Inquiry、Read Capacity、UFI Mode Sense、Read Format Capacity等請(qǐng)求，這幾個(gè)命令用于告知PC這個(gè)設(shè)備的存儲(chǔ)器情況，PC基于此創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)器設(shè)備，即在瀏覽器中生成一個(gè)移動(dòng)盤符，并可以復(fù)制、刪除或創(chuàng)建文件等。系統(tǒng)自動(dòng)將這些命令都轉(zhuǎn)換成Read或Write兩種命令，通過USB的READ或WRITE命令塊描述符從Flash中相應(yīng)扇區(qū)讀取數(shù)據(jù)，或是將特定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)寫入Flash相應(yīng)簇中。文件在U盤中按Fat16協(xié)議存儲(chǔ)。由于PC對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫是按扇區(qū)（512字節(jié)/扇區(qū)）為最小單位進(jìn)行的，但Bulk端點(diǎn)的最大傳輸能力為64字節(jié)。因此，主機(jī)讀寫操作的數(shù)據(jù)傳輸過程要分多次才能完成。而寫操作比讀操作更加繁瑣一些，這是因?yàn)镕lash 在對(duì)某扇區(qū)進(jìn)行寫之前，必須要將其擦除，而擦之前存在已有數(shù)據(jù)的保存問題。為了加快主機(jī)與U盤之間數(shù)據(jù)傳輸率，讀寫操作的代碼改用匯編來編寫。測(cè)試表明，U盤的讀寫速度可達(dá)到450Kbps。

　　結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用LM4832、LMV722和LM4838的巧妙結(jié)合作為立體聲音頻功率放大器，并利用U盤存儲(chǔ)技術(shù)來存儲(chǔ)歌曲，使得整個(gè)系統(tǒng)不僅擁有優(yōu)質(zhì)的視聽效果，而且體積僅有180mm 70mm 100mm這么大。實(shí)驗(yàn)表明，本移動(dòng)卡拉OK系統(tǒng)不僅具有數(shù)控音質(zhì)音量、立體聲音頻功率放大和超強(qiáng)3D音響效果的特點(diǎn)，而且功耗低、用戶界面友好、便于攜帶。同時(shí)它也可作為MP3播放器或U盤使用，功能齊全。