摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STC12C5A60S2的U盤音頻播放器,介紹了播放器的設(shè)計(jì)思路和原理框圖,分別就播放器的3個(gè)模塊給出具體的實(shí)現(xiàn)電路,并提供了軟件程序流程圖。運(yùn)行結(jié)果表明,播放器實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能,且具有較高的性價(jià)比和可拓性。
U 盤即閃存盤，是一種用閃存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的介質(zhì)，通常使用USB 插頭。U 盤體積極小、重量輕、可熱插拔也可以重復(fù)寫入。自其面世后，迅速普及并取代傳統(tǒng)的軟盤，成為主要的便攜存儲(chǔ)模式。隨著U 盤體積的不斷減小、存儲(chǔ)容量卻不斷加大，使得U 盤的使用范圍也不斷拓展。然而U 盤所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，現(xiàn)今仍大多通過(guò)計(jì)算機(jī)提取并進(jìn)行處理，這也局限了U 盤的發(fā)展范圍。
筆者認(rèn)為，針對(duì)某一特定功能，剝離相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴性，一方面可充分利用U 盤數(shù)據(jù)，另一方面也發(fā)揮出USB 協(xié)議的通用性，使U 盤實(shí)現(xiàn)所用即所得的便攜特性。基于此，設(shè)計(jì)了U 盤MP3 播放器電路，主要完成U 盤存儲(chǔ)的音頻文件的數(shù)據(jù)提取及功能運(yùn)行任務(wù)。該播放器等同于個(gè)人計(jì)算機(jī)的音頻處理模塊，不僅可識(shí)別、提取U 盤所存儲(chǔ)的MP3、WMA 或MIDI格式的文件，并可自行完成音頻解碼等數(shù)據(jù)處理工作，最后送入揚(yáng)聲器或耳機(jī)進(jìn)行播放。
1 播放器組成原理框圖
播放器組成原理如圖1 所示，共由3 個(gè)主要模塊組成： 單片機(jī)處理模塊，由STC12C4A60S52 單片機(jī)及其外圍電路組成； U 盤讀寫模塊，由CH375 及其外圍電路組成； 為音頻解碼模塊，由VS1003芯片及其外圍電路組成。
播放器的工作過(guò)程是： MCU 通過(guò)CH375 讀取來(lái)自USB 存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并依據(jù)功能鍵的控制指令，將USB 存儲(chǔ)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)送入音頻解碼模塊，在VS1003 解碼后，送入揚(yáng)聲器或耳機(jī)。設(shè)置6 個(gè)人機(jī)交互功能按鍵，分別實(shí)現(xiàn)播放、暫停、上一曲、下一曲、增大音量、減小音量等基本操作功能。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
如圖1 所示，主要完成U 盤讀寫、單片機(jī)處理及音頻解碼3 個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。
圖1 原理方框圖
2. 1 U 盤讀寫模塊
U 盤讀寫模塊由CH375 及其外圍電路組成，其構(gòu)成如圖2 所示。
圖2 CH375 外圍硬件電路
CH375 是USB 總線通用接口芯片，支持USB 主機(jī)及從設(shè)備方式。在本地端，CH375 具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU 等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB 主機(jī)方式下，CH375 還提供了串行通訊方式，通過(guò)串行輸入、輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU/MPU 等相連接。
CH375 的USB 主機(jī)方式支持常用的USB 全速設(shè)備，外部單片機(jī)可通過(guò)CH375 按照相應(yīng)的USB 協(xié)議與USB 設(shè)備通訊。CH375 還內(nèi)置了處理Mass - Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機(jī)可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲(chǔ)設(shè)備。
設(shè)計(jì)中，CH375 采用主機(jī)方式，圖中J1為USB 插座，可連接U 盤等存儲(chǔ)設(shè)備，D1為指示LED,當(dāng)檢測(cè)到USB 設(shè)備連接時(shí)燈亮。當(dāng)TXD 引腳連接到地時(shí)，CH375 工作在并口方式，此時(shí)圖中JP1接口D0 ~ D7為雙向數(shù)據(jù)總線，連接單片機(jī)。
單片機(jī)連接圖中JP2接口，通過(guò)程序控制CH375,其功能及特性如表1 所示。
表1 JP2功能及特性
單片機(jī)通過(guò)寫命令來(lái)和數(shù)據(jù)來(lái)控制CH375,并通過(guò)CH375 獲得U 盤數(shù)據(jù)。CH375 內(nèi)置相關(guān)的固件程序，自動(dòng)處理了USB 等協(xié)議。單片機(jī)可以通過(guò)CH375直接獲取U 盤扇區(qū)的數(shù)據(jù)，因此只需處理FAT 文件系統(tǒng)層就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)U 盤文件的操作。
2. 2 MCU 模塊
MCU 模塊，由STC12C4A60S52 單片機(jī)及其外圍電路組成。STC12C5A60S2 是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8 ~ 12 倍，提供Flash 程序存儲(chǔ)器60 kByte,1 kByte的EEPROM,片上集成1 280 Byte RAM.工作電壓5. 5 ~ 3. 5 V,內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，4個(gè)定時(shí)器，2個(gè)串口，2路PWM,8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換， ISP /IAP,內(nèi)置看門狗電路，外部掉電檢測(cè)電路等。
圖3 為播放器MCU 模塊的硬件電路原理圖，其中， JP4為電源輸入接口，D1為電源指示燈，排阻Rp1為P0口的上拉電阻。JP2和JP3接到U 盤讀寫模塊對(duì)應(yīng)的接口上。由于單片機(jī)在5 V 電源下工作，而VS1003在3. 3 V 電源下，所以工作P1口應(yīng)該接限流電阻到JP1再到音頻解碼模塊對(duì)應(yīng)的接口上。電路設(shè)置5 個(gè)功能按鍵，"UP"為增大音量，"DOWN"為減小音量，"LEFT"為選擇上一曲，"DOWN"為選擇下一曲，而"PLAY"為播放/暫停鍵。
圖3 MCU 模塊硬件電路
2. 3 音頻解碼模塊
音頻解碼模塊，由VS1003 芯片及其外圍電路組成。VS1003 是一個(gè)單片MP3 /WMA/MIDI 音頻解碼器和ADPCM 編碼器。它包含一個(gè)高性能低功耗的DSP 處理器核VS_DSP、工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、為用戶應(yīng)用提供5 kB 的指令RAM 和0. 5 kB 的數(shù)據(jù)RAM、串行控制和數(shù)據(jù)接口、4 個(gè)常規(guī)用途的I /O 口、1 個(gè)UART、1個(gè)高品質(zhì)可變采樣率的ADC 和立體聲DAC、1 個(gè)耳機(jī)放大器和地線緩沖器。
VS1003 通過(guò)一個(gè)串行接口接收輸入的bit 流，可作為一個(gè)系統(tǒng)的從機(jī)。輸入的bit 流被解碼，然后通過(guò)數(shù)字音量控制器到達(dá)1 個(gè)18 位過(guò)采樣多位ε - ΔDAC.VS1003通過(guò)串行總線控制解碼器，除了基本解碼功能，在用戶RAM 中還可以做其他特殊應(yīng)用，例如DSP 音效處理。
圖4 為播放器的VS1003 外圍硬件電路原理圖，其中，AVDD 為模擬正電源3. 3 V,CVDD 為數(shù)字正電源2. 5 V, IOVDD 為I /O 正電源3. 3 V,模擬地與數(shù)字地用0 電阻隔離。J1、J2均為3. 5 音頻插座，J1為音頻輸出，J2為音頻輸入。
圖4 VS1003 外圍硬件電路
單片機(jī)通過(guò)對(duì)VS1003 寄存器的寫入來(lái)設(shè)置VS1003 芯片，對(duì)VS1003 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，使其解碼。
3 軟件程序流程圖
單片機(jī)程序主要解決讀取CH375 數(shù)據(jù)，和寫入VS1003 寄存器用于播放音樂兩個(gè)問題。其中，5 種功能分別與圖3 的5 個(gè)功能按鍵一一對(duì)應(yīng)。軟件程序流程圖如圖5 所示。
圖5 程序流程圖
4 結(jié)束語(yǔ)
如圖所示，旨在將音頻處理功能從計(jì)算機(jī)剝離，拓展U 盤使用范圍，設(shè)計(jì)了針對(duì)U 盤音頻文件數(shù)據(jù)處理的播放器電路，并用C 語(yǔ)言編寫了相關(guān)程序。該電路主要由3 個(gè)模塊構(gòu)成，其中主控器選用增強(qiáng)型51 單片機(jī)STC12C5A60S2,語(yǔ)音解碼芯片采用芬蘭VLSI 公司的VS1003,而USB 設(shè)備接口芯片選用南京沁恒公司的CH375,采用USB 主機(jī)方式，外部單片機(jī)無(wú)需處理USB協(xié)議，就可直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用USB 存儲(chǔ)設(shè)備。
實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，該播放器完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期，U 盤即插即用，不僅可播放U 盤中指定目錄中的MP3文件、WMA 文件、MIDI 文件，還可以通過(guò)按鍵控制，實(shí)現(xiàn)各種功能。整個(gè)系統(tǒng)電路的性價(jià)比較高，具有較強(qiáng)的可拓性。