基于8位单片机的MP3播放器的设计
摘要
介绍基于8位单片机的MP3播放器的设计与实现，本次设计主要以ATMEL公司生产的AT89C51SND1C芯片为核心，对音乐播放器的设计与实现进行了硬件及软件的设计，并给出了一套完整的解决方案,实现了单片机音乐播放器对音乐的演奏。在这个设计中分析了基于单片机的音乐播放器的工作原理，详细介绍了音乐播放器的功能以及硬件设计和软件设计的方法，以单片机为核心，由最小系统、D/A转换电路和键盘电路等完成对音乐播放器的设计与实现。
关键词：单片机，MP3播放器，AT89C51SND1C芯片
毕业设计说明书目录
毕业实践任务书 1
外文翻译 2
毕业实践调研报告 10
摘要 12
关键词 12
1 引言 12
2 方案论证 14
2.1方案一: 14
2.2方案二: 14
3 各电路设计和论证 15
3.1电源电路设计和论证 15
3.1.1方案一 15
3.1.2方案二 15
3.2 D/A转换电路设计和论证 17
3.2.1方案一 17
3.2.2方案二 18
3.3 Flash 存储系统 19
3.3.1 方案一 19
3.3.2 方案二 20
3.4 显示系统 20
3.4.1 方案一 20
3.4.2 方案二 20
3.5按键电路设计 20
3.5.1 方案一 20
3.5.2 方案二 21
4 软件设计 21
4.1程序流程 21
4.1.1系统主程序流程图 21
4.1.2 MP3功能按钮设计流程 22
4.1.3 USB通信功能程序设计流程图 23
4.2程序 23
4.2.1主程序 24
4.2.2按键驱动程序 25
5软硬件系统的调试 26
5.1硬件系统的调试 26
5.2软件系统的调试 26
6 附录 27
6.1整体电路图 27
6.1.1整体电路图（一） 27
6.1.2整体电路图（二） 28
6.2附加程序 29
6.2.1 USB通信功能程序设计 29
6.2.2 MP3功能按钮设计 30
7 总结 33
8参考文献 34
1 引言
在过去的历史进程中，钢铁、石化等是支撑物质社会发展的重要资源；在未来社会进程中，计算机芯片、软件将成为支撑知识社会发展的另一种重要资源。其中嵌入式技术作为这一资源在信息、网络与服务等支撑发展中最重要的使用技术之一，已经开始广泛应用于移动通信、消费电子、无线网络、工业控制和军事国防等社会生活的各个领域。随着嵌入式技术的深入发展和广泛应用，社会对掌握嵌入式技术的人才产生巨大需求，嵌入式软硬件工程师成为未来最为热门的职业之一。
便携式MP3播放器作为一种集音频播放、数据存储为一身的数码产品，其功能结构为电子设计人员所津津乐道。MP3是MPEG-1音频层Ⅲ（LayerⅢ）的简称。MPEG-1音频（IOS/IEC11172-3）是目前普遍应用的音频压缩标准，其中音频层Ⅲ的算法最为复杂，但压缩比最大，效果也最好，在低码率的条件下基本能达到CD的音质效果。如果对于一段声音不进行压缩的话，那么每存储一秒钟的立体声CD音质音乐必须用1.4Mbit,这是个十分大的开销。通过运用MPEG音频标准的压缩技术，我们可以把存储空间压缩到原来的十二分之一而不会降低声音的音质。即使使用二十四分之一的压缩因子，仍然比单纯降低采样率的音质要好，低数据量和高播放品质的优点使其成为音乐存储，数字广播，网上音乐传播的主要方式。人们不仅可以使用计算机软件，还可以通过数字随时听来欣赏音乐。
嵌入式系统发展到现在，有以下几个应用方向：采用单片机、ARM、DSP和FPGA这四种工具进行开发。它们的特点和区别如下所述。
ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。目前ARM在手持设备市场占有90%以上的份额，可以有效的缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。
DSP是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度。另外还允许在程序空间和数据之间进行传输，因为增加了器件的灵活性。其工作原理是接受模拟信号，转换为0或1的数字信号，在对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子化世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；
（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
（7）可以并行执行多个操作；
（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
当然，与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。
FPGA是英文Filed Programmable Gate Array(现场可编程门阵列)的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB板完成以后，还可以利用FPGA 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的ARM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA编程无须专用的FPGA编程器，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
他们的区别是：DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。ARM具有比较强的事务管理能力，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，而FPGA可以用VHDL或veriloHDL来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。
综合成本和研发过程考虑，本设计采用以51内核单片机为核心，结合A/D、D/A转换电路、音频解码、数据存储等电路，最终实现了MP3播放器的软硬件设计和功能实现。
通过本次设计，我们掌握了用protel软件进行原理图设计以及MP3播放器软件部分的编程及调试。
参考文献
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【4】单片机系统设计与实例分析/冯育长主编.陕西：西安电子科技大学出版社.2007
【5】MP3工作原理及应用/祁宇翔主编.承德：承德民族职业技术学院学报.2004
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【7】USB接口技术/刘建存主编.北京：国防工业出版社.2004
【8】单片机原理及接口技术/曹国华主编.西安:西安电子科技大学出版社.2004
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【13】单片机C语言应用100例/王东峰主编.电子工业出版社.2009
【14】电子CAD— Protel 99SE/缪晓中主编.北京：化工业出版社.2009
【15】单片机原理及接口技术/曹国华主编.西安：西安电子科技大学出版社.2000：
【16】MPEG音频第Ⅲ层编码的算法研究与硬件实现/马延飞主编.西安：西安电子科技大学出版社.2002.
【17】运动图像及其半音的压缩与编码-MPEG1/余崇智主编.南京：南京大学出版社.1995
【18】基于C51单片机的MP3播放器设计/王宇炎，李明伟主编.北京：电子工业出版社.2009：
【19】MPEG-2编码系统研究与设计/吴绍容主编.四川：电子科技大学出版社.2002
【20】李军.51系列单片机高级实例开发指南/李军主编.北京：北京航空航天大学出版社.2004
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