基于AVR单片机的U盘MP3设计

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随着电子技术的发展,MP3播放器正朝着大容量和小型化方向发展。然而,播放器和存储器的集成设计使得MP3难以扩展其容量以容纳更多歌曲。将播放器与内存分离是MP3发展的另一个方向。介绍了一种利用AVR控制以HOST USB对U盘音乐文件进行读取和解码的解决方案。该方案还具有读取音乐标签、U盘电子书,贪吃蛇游戏等功能,具有商业价值。

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1系统功能简介
本设计主要完成对存储在U盘中的音乐及文本等信息的读取操作,能够完成U盘内MP3音乐数据的播放及标签信息的显示,实现播放器与存储器分离,并在此基础上完成电子书,贪吃蛇游戏等功能。

2系统芯片选择
本设计MCU选择ATMEL公司的ATmega64作为主控芯片。ATmega64是高性能、低功耗的8位AVR微处理器,具有先进的RISC结构。64K字节系统内可编程Flash,2K字节EEPROM,4K字节片内SRAM,64个引脚,53个可编程I/O口,具有可工作于主机/从机模式的SPI串行接口音频解码芯片选择芬兰VLSI公司生产的VS1003。VS1003是一款具有MP3/WMA/MIDI音频解码及ADPCM编码功能的芯片,它包含一个高性能,低功耗的DSP内核VS_DSP,工作数据存储器,为用户应用提供5KB的指令RAM和0.5KB的数据RAM。一个串行的控制和数据接口,4个通用I/O口,一个UART,一个高质量可变采样率的ADC和立体声DAC,一个耳机放大器和地线缓冲器。

USB通信芯片选择CH375,CH375是一个USB总线的通用接口芯片,支持USB-host主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端,CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及终端输出,可以方便地挂接到单片机等控制其的系统总线上。内置控制传输的协议处理器,简化常用的控制传输。支持低功耗模式。

3系统硬件电路设计
3.1MP3解码芯片与ATmega64的硬件连接
VS1003使用同步串行总线SPI通信,ATmega64内部集成有SPI总线控制器,故将SCLK,MOSO,MOSI直接与MCU的SPI控制引脚相连接即可。另外将XCS,XRES,DREQ,XDCS分别于PB4~PB7相连接,即可完成对解码芯片的控制。

3.2CH375与ATmega64的硬件连接
本设计中,CH375工作在HOST模式下,八位双向数据总线D0~D7分别于MCU的PD0~PD7相连接,实现数据与命令的并行传输。A0,RD,WR,INT,CS分别于PC3~PC7相连接。这种连接可以很方便的将CH375挂接到各种MCU系统总线上。

3.3彩屏与ATmega64的硬件连接
彩屏与MCU实现并口数据命令传输,将其16位数据命令口与MCU的PA0~PA7以及PE0~PE7相连接,另外将彩屏的片选CS,数据命令选通RS,写选通WR,读选通RD,及复位RST分别于MCU的PG0~PG4相连接。

系统启动后,在ATmega64的控制下,首先将数据从U盘中取出,如果是音频数据,则直接送入VS1003进行解码,VS1003将接收到的数据解码后转换为模拟音频后,通过功率放大器输出。若收到的是文本数据,则进行字符格式转换,并在液晶屏上显示出来。

4系统软件设计

系统软件的设计主要分为VS1003的驱动程序,CH375的驱动程序,彩屏的驱动程序以及整体的整合。(分别为:vs1003、cch375、c TFT_ili9320。c mp3_play。c )

4.1FAT文件系统管理
一个FAT文件系统包括四个不同的部分。保留扇区,FAT区,根目录区,数据区。其中保留区中的第一个分区必须是BPB,也称作“引导扇区”,因为它含有对文件系统进行识别的关键信息,计算机将以此信息识别存储器文件格式,因此十分重要。

FAT区包含有两份文件分配表,这是出于系统冗余考虑,尽管它很少使用,即使是磁盘修复工具也很少使用它。它是分区信息的映射表,指示簇是如何存储的。根目录区是在根目录中存储文件和目录信息的目录表。在FAT32下它可以存在分区中的任何位置,但是在早期的版本中它永远紧随FAT区域之后。数据区是实际的文件和目录数据存储的区域,它占据了分区的绝大部分。

4.2U盘的读取
由于CH375内置控制传输的协议处理器,因此读取U盘可以通过控制CH375的寄存器来进行U盘的读取。CH375以C语言子程序库提供了USB存储设备的文件级接口,这些应用层接口API包含了常用的文件级操作,可以移植并嵌入到常用的单片机程序中。CH375的U盘文件级子程序库具有以下特性:支持常用文件系统,支持多级子目录,可以支持小写字母或者长文件名,支持文件打开、新建、删除、读写以及搜索等。CH375的文件级子程序库需要大约600Byte的随机存储器RAM作为缓冲区。文件级子程序库的所有API在调用后都有操作状态返回,但不一定有应答数据。主要子程序如下:
(1)初始化CH375芯片: CH375Init; ( 2 )打开文件:CH375Fileopen;(3)枚举或者搜索文件:CH375FileEnumer;(4)关闭文件: CH375FileClose; (5)以扇区为单位从文件读数据:CH375FileReadX; ( 6 )以扇区为单位向文件写数据:CH375FilewriteX。

4.3VS1003的读写控制
VS1003的寄存器用下列顺序读出,如图一。首先将XCS片选拉低以选择芯片,再通过SI线发送8位的读操作码(0x03)和8位的地址。在地址被VS1003芯片读入后,SI上的数据将被忽略。相应地址的16位数据将从SO线移出。当数据全被移出后XCS需拉高。

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VS1003的寄存器须按以下的顺序写入,如图二。首先将XCS片选拉低,再通过SI线发送8位的读操作码(0x02)和8位的地址。随即发送16位的数据字。当最后一位被移入且最后的时钟已发送,必须将XCS拉高以完成写操作。
4.4MP3的播放
当执行音乐播放程序时,ATmega64芯片首先从U盘中预取标签信息,经过分析,由Unicode到GBK编码的转换,再取字模,最终在LCD上显示;之后开始取音乐文件的数据,送到VS1003芯片,VS1003开始解码并在音频接口发出音频信号。当按下暂停键时,暂停取数据,上一曲、下一曲时跳出取数据循环。

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4.5其他软件设计
1.音乐标签的软件设计。本系统可以读取的音乐的标签有ID3V1、ID3V2,当要区分这两个标签时可以用程序读取音乐文件的开头和结尾,利用其标志符“ID3”、“TAG”来区分其具有哪一个标签。但是标签中的文字编码也包括UNICODE、GBK,具体的区分也要查找相关的标志符。
2.文档阅读的软件设计。GBK的编码中会带有ASC码,而GBK码占两个字节,ASC码占一个字节,如果在取文件过程中恰好取到GBK码的每二个字节,那么以后的内容在LCD上的显示将全部为乱码,特别是在向上翻页的时候(文档内容在LCD上的显示还要判断回车以及其它字符,这样就会造成每一页具体读了多少字节,显示了多少字节都不一样)。最终解决办法是用一个数组记录每一次翻页共显示了多少字节(不是读取了多少字节)。
3.在TFT上显示字符和汉字。对于TFT液晶,没有具体的字模存储在控制芯片中,只能是整体系统的存储。而且汉字的Unicode和GBK编码并不相同。笔者把具体的字库存储在了要读取的优盘根目录下(对应的字模文件是ST16.BIN KT16.BIN)。对于Unicode到GBK的转换,笔者把转换文件也存储在了优盘的根目录下面(对应文件是UNITOGBK.SYS)。
5结束语

经测试,该设计可以读取和播放U盘中的MP3文件,音质清晰,无延迟和跳帧。能够读取U盘中的TXT文件,实现电子书功能。内置的贪吃蛇游戏也可以顺利实现。由于播放器和存储器的分离,存储空间不受限制,自由度大,比普通MP3播放器更具优势。

 

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