播放器与存储器的一体化设计对MP3播放器的便携性起了关键性的作用,但与此同时,它又带来了很多新的问题。比如存储容量固定,如果想装下更多的歌曲只能去购买新的产品,造成了巨大的浪费。另一方面,一体化又限制了MP3播放器在其它领域的应用,比如汽车电子等。于是,将存储器与播放器分离,成为MP3的另一发展方向,也是开发这款U盘MP3播放器的意义所在。
主要芯片简介
AT89C51SND1是ATMEL推出的基于8位C51 MCU内核的MP3解码器芯片。它内置MP3硬件解码器,支持48kHz、44.1kHz、32kHz、24kHz、22.05kHz及16kHz采样频率,具有重低音、中音、高音均衡控制和重低环绕声效果。它可以适应市场上不同DAC的可编程音频输出接口,兼容PCM和I2S格式。内置2304B RAM和64KB Flash程序空间,方便用户增加复杂的功能。并通过内置锁相环提供MP3和音频时钟以及USB时钟。
要想读取U盘,USB主机控制器必不可少。为了将来进一步升级系统,本文选用了功能强大的USB－OTG芯片ISP1362。ISP1362在单芯片上集成了OTG控制器、高级主机控制器和外设控制器。ISP1362的OTG控制器完全兼容USB2.0以及On-The-Go Supplement 1. 0协议,主机和设备控制器兼容USB 2. 0协议,并支持12Mbps的全速传输和1.5Mbps的低速传输。
图1 系统框架图
系统硬件结构
整个系统的搭建围绕AT89C51SND1进行,如图1所示。由于其内部具有硬件解码器,因此电路构成并不复杂。首先由单片机控制ISP1362,将U盘中的MP3文件读取出来,送到硬件解码器进行解码。解码之后由数字音频接口将数字信号传送至音频DAC CS4330,转换之后产生音频信号。由于DAC输出的信号功率有限,在后端又加入了运算放大器,经过放大之后的信号就可以直接输出给音箱或耳机等设备了。
AT89C51SND1是基于51内核的单片机,因此,最小系统结构非常简单。除了传统单片机的晶振和复位电路之外,还有PLL滤波电路和USB接口电路,如图2所示。
图2 PLL滤波电路及USB接口电路
ISP1362是16位总线结构,不能直接和8位单片机接口。因此,将单片机的P0和P2口一同作为数据总线接至ISP1362的16位总线上,将 、、分别接到单片机的P3.4、P3.7和P3.6,通过仿真读写时序控制它的数据读取等操作。
除了这些基本的总线连接,ISP1362还需要连接一些特殊的控制引脚：
A0：用于决定控制器处于命令状态还是数据状态：0表示数据状态,1表示命令状态;
A1：用于决定控制器工作于主机还是设备控制模式：0表示处于主机控制(HC) 模式;1表示处于设备控制(DC) 模式。
接至MCU的P1.5。P1.5＝0时表示处于OTG工作状态,P1.5＝1则表示处于非OTG状态。
INT1_USB、INT2_USB分别接至MCU的INT0和INT1引脚,用以产生中断。
ISP1362有两个USB端口,分别是OTG端口和主机端口。因为OTG端口包含了主机功能,所以系统中使用OTG端口来连接U盘。根据USB2.0协议,USB主机需要2个15k降TG端口同时又可作为设备端口使用,而设备是没有下拉电阻的。因此ISP1362提供了“软连接”机制,通过内部的寄存器来控制电阻的连接与否。所以在硬件设计时并不需要在外部加下拉电阻。而 为开漏输出,因此加入了一个10kW的上拉电阻R14_USB。如图3所示。
图3 OTG端口电路图
AT89C51SND1C及ISP1362的初始化
在开始播放MP3文件之前,需要一系列初始化操作。这些操作是通过设置AT89C51SND1C及ISP1362内部的相关寄存器来完成的。
AT89C51SND1C的初始化
为了正常播放MP3文件,首先要对主控制器AT89C51SND1C进行以下几方面的设置。
锁相环初始化
MP3解码器和音频输出接口使用的都是内部锁相环提供的时钟。锁相环的初始化是通过设置PLLCON、PLLNDIV和PLLNDIV来完成的。其输出频率的计算公式为：PLLclk=OSCclk×(R+1)/(N+1)。
MP3解码器初始化
MP3解码器的初始化需要对MP3CON和MP3CLK进行设置。MP3解码器分缺少数据中断和校验中断两类中断,在MP3CON中可以对其进行设置。简单处理可以采用查询标志位方式,避免使用中断。MP3解码器对时钟有一定的要求,MPEG I格式的MP3数据要求最低时钟为21MHz,MPEG II格式为10.5MHz。该时钟计算公式为：MP3clk＝PLLclk/(MPSD4:0＋1)。
音频输出接口初始化
得到两个声道串行数据前需先对音频输出接口的AUDCON0和AUDCON1中的相关部分进行正确的设置。配合DAC芯片CS4330,其设置如下：输出32位数据格式(DSIZ＝1),声道选择信号中的高电平为左声道(POL＝1),选择256·Fs的数据速率(HLR＝0),选择MP3解码器的输出为数据源(SRC＝0),18位数据右对齐(JUST4:0＝14)。为了听到正常的声音,还需根据MP3的采样率设置MP3CLK来得到正确的音频输出接口的时钟,该时钟的计算公式为：AUDclk＝PLLclk/(AUCD4:0＋1)。
按键初始化
要实现播放MP3的人机交互功能,就需要键盘的支持,AT89C51SND1C专门提供了4个中断的按键接口,当这些中断被使能后就可以简单地通过读取KBSTA得到按键的状态。按键初始化的时候只需要在KBCON开启相应接口的中断,再开启总中断的EA即可。
ISP1362的设置
为了能正确地从U盘中读取MP3文件,首先要对USB控制芯片ISP1362进行以下几方面的设置。
数据缓冲区的划分
ISP1362内部有4KB的数据缓冲区,可划分为4部分以供USB的四种传输方式使用。其中同步传输为双缓冲,占用ISTL0和ISTL1,一般二者大小是一样的。中断传输占用INTL。控制传输和块传输共用ATL。分别通过HcISTLBufferSize 、HcINTLBufferSize和HcATLBufferSize 来设置ISTL、INTL和ATL的大小。
中断的设定
这里的中断并不是指USB中的中断传输,而是传统意义上的硬件中断。如果不使用中断,则应该将其关闭,具体操作为将HcuPInterruptEnable置0,而 HcInterruptDisable中所有位都置1。
ATL 缓冲的设定
控制传输是任何USB设备都有的数据传输类型,而在ISP1362中,它占用的是ATL缓冲区,因此对ATL 缓冲的设定是必不可少的。具体的操作是设置以下几个寄存器：HcATLPTDSkipMap、HcATLLastPTD、HcATLBlkSize、HcATLPTDDoneThresholdCount和HcATLPTDDoneThresholdTimeOut。
其它相关寄存器
ISP1362还有一些关于硬件的设置,比如端口设定以及过流保护等。除此之外,还需要确定一个帧所发送的最大数据量等信息,这些操作通过设定HcHardwareConfiguration和HcFmInterval两个寄存器完成。
读取U盘
U盘在使用USB传输时使用的是块传输方式,操作相对比较复杂。除了最基本的USB协议之外,还需要实现许多其它相关协议,比如Mass Storage、Bulk-Only、SCSI－2、UFI等。但对USB接口芯片ISP1362而言,需要完成的仅是按照协议规定进行数据的传送。
相关描述符和设置
U盘一般使用Mass Storage协议进行通信。然而在使用Mass Storage协议通信之前,应首先关注传输协议和U盘的端点描述符。
Mass Storage中的传输协议常用Bulk_Only,然而在这种传输方式下又可分多种指令集,而U盘常用SCSI指令集。 Bulk_Only的传输方式在通信时应首先读取端点描述符来获取Bulk_In和Bulk_Out这两个端点号,之后才能进行USB的正常通信。
FAT文件系统
由于现在U盘的容量普遍较大,对U盘的操作往往都是按块来进行的,其大小一般均为512B。但实际U盘上的数据是以文件系统的方式来存储的,目前U盘常用的文件系统有FAT16和FAT32。而这两种文件系统在很多内容方面都是相同的,因此,在实际访问中可以对其简单的区分,然后分别进行不同的操作,就能实现对不同文件系统的U盘进行访问,提高通用性。
播放MP3文件
播放一个MP3文件需要经过以下几个环节：解析U盘的文件系统,获取MP3文件的信息,从U盘中读取指定的MP3文件,将文件中的数据送至AT89C51SND1C内嵌的MP3解码器,解码后的数据经音频输出接口调整格式后输出两个声道的串行数据,再经过DAC芯片CS4330将数字信号转换为模拟信号,最后经集成运放MC33202将信号放大输出。
初始化相关芯片
对主控器AT89C51SND1C和USB接口芯片ISP1362的初始化是至关重要的,除了上述一些需要初始化设置的地方,还应注意单片机和ISP1362复位要同步。另外还应对MP3解码器音量控制的相关寄存器进行初始化,默认情况下它们都是0,即处于静音状态。
获取MP3文件中的数据
从U盘中获取MP3文件是一个相对烦琐的过程,首先应能按照USB的相关协议读取U盘上指定块的数据,之后还要根据得到的数据解析文件系统,从而得到指定MP3文件的起始块地址,然后通过查FAT表的方法得到后继的数据。并且还应将得到的数据存储在AT89C51SND1C内部开设的数据缓存中,等待MP3解码器缺少数据时使用。由于MP3解码器内部的数据缓存较小,因而就要求获取MP3文件数据的时间要尽可能的少,这就需要该部分的代码要尽量精简。
MP3解码器解码
启动MP3解码器之前应先对读取来的MP3数据的帧头进行解析,根据解析得到的采样率设置音频输出接口的时钟。从U盘中读取的数据也应先暂存在AT89C51SND1C内部开设的数据缓存中,开始播放之前需要先通过MP3DAT向MP3解码器的数据缓存中送满1KB的数据,之后待MP3解码器出现缺少数据的状态(MP3STA1寄存器中的MPFREQ＝1),再将AT89C51SND1C内部数据缓存中的数据写入MP3解码器中。当数据缓存中的数据全部用完后,就应立即再次读取U盘,如此往复直到整个MP3文件都播放完毕为止。
结语
本系统很好地实现了对U盘的识别和读取,突破了传统MP3播放器中解码器与存储器一体化的限制,只需使用更大容量的U盘就可以在原有硬件基础上增加存储容量,在音响和汽车电子方面具有良好的应用前景。