基于AT89C51SND1C单片机的MP3音乐播放器设计

徐阳（长江大学工程技术学院信息系，湖北 荆州 434023）

起初，MP3音乐文件只能由电脑来播放，随着互联网的发展，促进了MP3音乐播放器的产生。随着人们对MP3产品需求层次的进一步提高，MP3音乐播放器发生了一系列变化，其更加小巧精致，更人机化和情趣化，个性区分也越来越强，应用场合也越来越广，其不仅具有音频播放功能，同时还具有嵌入式信息处理功能，通常被应用于汽车导航、移动电话、个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）等。为此，笔者提出了一种基于AT89C51SND1C单片机的MP3音乐播放器设计方案❶长江大学工程技术学院院级教学研究项目（JY201413）。。

1 MP3编码原理

MP3的全称为“MPEG1Layer－3”音频文件，即 MPEG音频文件第3层。MPEG音频文件是MPEG1标准中的声音部分，根据压缩质量和编码复杂程度划分为3层，分别对应于MP1、MP2和MP3这3种声音文件。音频编码层次越高，压缩率也越高，MP1和MP2的压缩率分别为4∶1和6∶1，而MP3的压缩率则高达12∶1。1min CD音质的音乐，未经压缩需要10MB左右的存储空间，而经过MP3编码压缩后只有1MB左右。不过MP3对音频信号采用的是有损压缩方式，为了降低声音失真度，MP3采取了“感官编码技术”，即编码时先对音频文件进行频谱分析，然后通过滤波器滤掉噪音，接着通过量化方式将剩下的每一位数据打散排列，最后形成具有较高压缩比的 MP3文件，并使压缩后的文件在回放时能够达到接近原音源的声音效果［1］。

2 硬件电路设计

MP3音乐播放器硬件电路图如图1所示。整个系统由AT89C51SND1C（单片机）、K9F2808U0A（FLASH存储器）、电源部分、音频部分（LM4880）、D／A转换部分（CS4330）、USB接口部分、键盘和显示部分组成。MP3播放器通过USB接口把FLASH存储器上的MP3或者WMA等格式的数字音乐文件送到单片机内部集成的解码单元进行解码，这些音乐文件经解码后成为数字信号，然后DA转换器CS4330通过D／A转换将数字音频信号转化为模拟音频信号，再通过功率放大器LM4880进行音频放大，最后通过耳机输出音乐。整个系统采用3V电源供电，系统电源可以取自USB接口，也可以来自干电池，所以系统电源由2部分组成：一部分通过降压芯片AS1117提供从USB接口的5V到3V的DC－DC降压转换，另一部分通过升压芯片MAX856提供从1.5V干电池到3V的DC－DC升压转换［2］。

2.1 控制器部分

AT89C51SND1C是Atmel公司专门针对MP3设计需求研发的一款多媒体8位微处理器，它具有C51内核，其主要特点是其内部嵌入一个MP3硬件解码器，支持48、44.1、32、24、22.05、16kHz采样频率，并且具有左右声道独立的音量控制和重低音、中音、高音均衡控制功能。另外，AT89C51SND1C内部有一个USB Rev1.1控制器，可以完成USB接口的数据通信。为了避免噪声对音频输出信号的影响，在AT89C51SND1C的正负电源间需要加上一个RC滤波电路以消除电路中的噪声，而且对于AVDD和UVDD的2个模拟电压和数字电源而言，两者需要在数字地和模拟地处单点通过一个磁珠相连，以免数字电源和模拟电源之间的影响［3］。

图1 MP3音乐播放器硬件电路图

2.2 电源部分

电源电路部分包括升压芯片MAX856和降压芯片AS1117，由于AT89C51SND1C内部CPU的工作电压要求为3.3V，因此需要为MP3音乐播放器系统提供合适的工作电压，当电路由1.5V工作电压的5号电池供电时，通过升压芯片MAX856可以为系统提供3.3V稳定的电压；当电路由USB供电时，插入USB电缆，电路获得5V电压，再通过降压芯片AS1117后，可以将5V电压降为3.3V供系统使用。

2.3 存储部分

采用三星公司的Nand Flash K9F2080作为系统的数据存储器，用来存储系统所需播放的音乐文件。主芯片AT89C51SND1C和Flash存储器间的通信与读取一般的存储器RAM、EEPROM等基本上是一致的，不同的是多了CLE和ALE这2个引脚，这是由Flash本身的特点所决定的。ALE和CLE的信号均为上升沿有效。WP引脚为写保护，用来保护当电源由于切换等造成不稳定的情况下丢失数据的情况。

2.4 音频部分

音频部分是整个系统中最为重要的一部分，在数字信号转化为模拟信号的过程中，其容易产生噪声，这关系到MP3播放器声音效果的好坏，为此选择CS4330芯片，该芯片能兼容48、44.1和32kHz的音频流。声音数据通过串行输入引脚SDATA输入。左右输入时钟LRCK决定了左右声道，在串行输入时钟SCLK的驱动下数据被送入CS4330的数据缓存中，而主时钟决定了数据滤波器的使用。

2.5 USB通信接口部分

USB接口部分一般通过PC的USB接口进行MP3文件的下载，传输速率为12Mbps。由于Atmel公司生产的AT89C51SND1C芯片仅支持USB1.1技术规范，因而接口速度稍慢。但对于MP3播放来说，已能够满足需要。

2.6 人机接口部分

人机接口部分主要提供一个人和系统进行信息交换的接口，包括键盘输入、LED显示2个部分。键盘输入提供给用户选择功能的能力，包括向前、向后、播放、功能切换4种功能。LED显示播放器现在的工作状态，其中指示灯1和指示灯2为供电指示灯，当5～3V供电正常时，指示灯1亮；当1.5～3V供电正常时，指示灯2亮。指示灯3为U盘指示灯，当执行U盘功能时，无数据传输时灯亮，有数据传输时灯闪烁。指示灯4为MP3指示灯，当执行MP3功能时灯亮、播放时该灯闪烁。

3 软件设计

MP3音乐播放器的软件设计按照模块，可以划分为以下几个部分：①MP3解码控制部分，该部分控制系统中间的MP3解码器把从Flash中取出来的MP3压缩数据流解码成音频数据流，提供给音频解码接口；②音频处理部分，该部分主要实现对音频驱动芯片进行配置以及控制，把解码后的数字信号转化为模拟声音并且驱动耳机；③FLASH存储与USB通信部分，该部分按照FAT文件格式对Flash芯片进行划分，对芯片的操作必须按照FAT格式进行；USB通信包括如何按照Windows 7中对USB移动硬盘的描述编写设备的固件程序，以便操作系统的运行；④人机接口部分，该部分由提供人机接口的键盘扫描驱动、LED显示驱动和数码管驱动等组成。

3.1 MP3解码控制

MCS－51内核和MP3的解码器接口是通过11个特殊功能寄存器来实现的，分别是MP3控制寄存器MP3CON、MP3解码状态寄存器MP3STA、MP3状态寄存器MP3STA1、MP3数据寄存器MP3DAT、MP3附加数据寄存器MP3ANC、MP3左声道控制寄存器MP3VOL、MP3右声道控制寄存器MP3VOR、MP3重音控制寄存器MP3BAS、MP3中音控制寄存器MP3MED、MP3高音控制寄存器 MP3TRE、MP3时钟寄存器MP3CLK。

对数据帧的处理过程可能产生层错误（layer error）、同步错误（sychronization error）和CRC错误（CRC error），每个错误将引起对应的中断，硬件将根据中断把相应寄存器中的数据位置位［4］。在 AT89C51SND1C中断过后，根据中断的不同，硬件将进入中断并且将相应数据位置位，这些标志位可向MCS－51内核申请中断，也可供内核查询。MP3解码控制程序流程图如图2所示。

图2 MP3解码控制程序流程图

3.2 音频处理

音频部分是MP3音乐播放器的一个重要的组成部分，由于存在片上锁相环结构，AT89C51SND1C支持PCM和I2S2种音频结构，音频数据流可以来自MP3解码输出，也可以来自MCU直接音频输出，整个音频部分和MCS51内核也通过5个寄存器来进行数据和控制信息的交流，这5个寄存器分别是音频接口控制寄存器0（AUDCON0）、音频接口控制寄存器1（AUDCON1）、音频接口控制寄存器2（AUDSTA）、音频接口数据寄存器（AUDDAT）、音频时钟分频器（AUDCLK）。音频处理程序流程图如图3所示。

图3 音频处理程序流程图

3.3 FLASH存储与USB通信

在AT89C51SND1C单片机片内集成了一个USB控制器，支持USB1.1全速引擎，通过它可以方便地从PC机下载音乐文件到FLASH存储器中。FLASH存储功能是靠FLASH EEPROM芯片K9F2808实现的。对K9F2808的读操作流程图如图4所示。首先向K9F2808的命令端口写1个字节的命令字00h，接着向K9F2808的地址端口写入FLASH内部地址。由于K9F2808的存储容量是16MB，内部地址为24字节，因此要分3个字节写入，写入时第1个字节为A0－A7；第2个字节为A9－A16；第3个字节最高位为0，低7位为A17－A23。地址写入后就可以从K9F2808的数据端口读出Flash内部地址为A23－A0的存储单元对应的数据了。K9F2808的空闲区域可用来存放校验信息，如果希望使用校验信息来保证数据存放的可靠性，可以使用这一部分存储区域。

3.4 人机接口

人机接口也称为输入／输出接口（I／O接口），是单片机和人机交互设备之间的交接界面，通过接口可以实现单片机与外设之间的信息交换。MP3音乐播放器中人机接口包括LED显示、键盘输入2个部分，LED主要用来指示MP3播放器当前的工作状态，包括电源供电、USB传输是否正常等部分；键盘输入提供给用户选择功能的能力，当执行MP3程序的时候，通过按键操作来控制MP3歌曲的播放，每个键对应一个键盘响应函数，这些函数分别是Func（功能切换）、Next（向后）、Previous（向前）、PlayPause（播放／暂停）。人机接口程序流程图如图5所示。

图4 K9F2808的读操作流程图

图5 人机接口程序流程图

4 结语

为取得较好的音乐播放效果，采用基于AT89C51SND1C单片机设计MP3音乐播放器。由于宽带音频信号的取样率也较高（一般为44.1kHz以上），所以MP3编解码的运算量和数据量都相当庞大。设计的MP3音乐播放器系统既具有播放歌曲的功能又具有U盘功能，2种功能的转换用USB接口检测电路来控制。当MP3播放器上的USB设备插入PC机上的USB接口进行文件下载时执行U盘功能，否则程序运行执行MP3功能。此外，MPEG LayerⅢ解码算法在AT89C51SND1C上验证通过并获得较好的效果，通过优化后可流畅播放音乐。

［1］徐爱钧.单片机原理实用教程——基于Proteus虚拟仿真［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［2］博创科技.MP3播放器与U盘设计［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］熊开胜，董兆鑫.基于DSP技术的MP3播放器的硬件设计［J］.现代电子技术，2007，30（12）：164～166.

［4］黄勇坚，王亚丽.智能MP3播放控制系统的设计［J］.电子技术，2006（10）：36～38.