摘要：設計了一個基于STC12C5A60S2的U盤音頻播放器,介紹了播放器的設計思路和原理框圖,分別就播放器的3個模塊給出具體的實現電路,并提供了軟件程序流程圖。運行結果表明,播放器實現了預期功能,且具有較高的性價比和可拓性。
U 盤即閃存盤，是一種用閃存進行數據存儲的介質，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寫入。自其面世后，迅速普及并取代傳統的軟盤，成為主要的便攜存儲模式。隨著U 盤體積的不斷減小、存儲容量卻不斷加大，使得U 盤的使用范圍也不斷拓展。然而U 盤所儲存的數據，現今仍大多通過計算機提取并進行處理，這也局限了U 盤的發展范圍。
筆者認為，針對某一特定功能，剝離相應數據對計算機的依賴性，一方面可充分利用U 盤數據，另一方面也發揮出USB 協議的通用性，使U 盤實現所用即所得的便攜特性。基于此，設計了U 盤MP3 播放器電路，主要完成U 盤存儲的音頻文件的數據提取及功能運行任務。該播放器等同于個人計算機的音頻處理模塊，不僅可識別、提取U 盤所存儲的MP3、WMA 或MIDI格式的文件，并可自行完成音頻解碼等數據處理工作，最后送入揚聲器或耳機進行播放。
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 個主要模塊組成： 單片機處理模塊，由STC12C4A60S52 單片機及其外圍電路組成； 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。
播放器的工作過程是： MCU 通過CH375 讀取來自USB 存儲設備的數據，并依據功能鍵的控制指令，將USB 存儲設備的相關數據送入音頻解碼模塊，在VS1003 解碼后，送入揚聲器或耳機。設置6 個人機交互功能按鍵，分別實現播放、暫停、上一曲、下一曲、增大音量、減小音量等基本操作功能。
2 硬件電路設計
如圖1 所示，主要完成U 盤讀寫、單片機處理及音頻解碼3 個模塊的電路設計。
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 主機及從設備方式。在本地端，CH375 具有8 位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU 等控制器的系統總線上。在USB 主機方式下，CH375 還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、輸出和中斷輸出與單片機/DSP/MCU/MPU 等相連接。
CH375 的USB 主機方式支持常用的USB 全速設備，外部單片機可通過CH375 按照相應的USB 協議與USB 設備通訊。CH375 還內置了處理Mass - Storage海量存儲設備的專用通訊協議的固件，外部單片機可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB 存儲設備。
設計中，CH375 采用主機方式，圖中J1為USB 插座，可連接U 盤等存儲設備，D1為指示LED,當檢測到USB 設備連接時燈亮。當TXD 引腳連接到地時，CH375 工作在并口方式，此時圖中JP1接口D0 ~ D7為雙向數據總線，連接單片機。
單片機連接圖中JP2接口，通過程序控制CH375,其功能及特性如表1 所示。
表1 JP2功能及特性
單片機通過寫命令來和數據來控制CH375,并通過CH375 獲得U 盤數據。CH375 內置相關的固件程序，自動處理了USB 等協議。單片機可以通過CH375直接獲取U 盤扇區的數據，因此只需處理FAT 文件系統層就可以實現對U 盤文件的操作。
2. 2 MCU 模塊
MCU 模塊，由STC12C4A60S52 單片機及其外圍電路組成。STC12C5A60S2 是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8 ~ 12 倍，提供Flash 程序存儲器60 kByte,1 kByte的EEPROM,片上集成1 280 Byte RAM.工作電壓5. 5 ~ 3. 5 V,內部集成MAX810 專用復位電路，4個定時器，2個串口，2路PWM,8 路高速10 位A/D 轉換， ISP /IAP,內置看門狗電路，外部掉電檢測電路等。
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 盤讀寫模塊對應的接口上。由于單片機在5 V 電源下工作，而VS1003在3. 3 V 電源下，所以工作P1口應該接限流電阻到JP1再到音頻解碼模塊對應的接口上。電路設置5 個功能按鍵，"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 是一個單片MP3 /WMA/MIDI 音頻解碼器和ADPCM 編碼器。它包含一個高性能低功耗的DSP 處理器核VS_DSP、工作數據存儲器、為用戶應用提供5 kB 的指令RAM 和0. 5 kB 的數據RAM、串行控制和數據接口、4 個常規用途的I /O 口、1 個UART、1個高品質可變采樣率的ADC 和立體聲DAC、1 個耳機放大器和地線緩沖器。
VS1003 通過一個串行接口接收輸入的bit 流，可作為一個系統的從機。輸入的bit 流被解碼，然后通過數字音量控制器到達1 個18 位過采樣多位ε - ΔDAC.VS1003通過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 為數字正電源2. 5 V, IOVDD 為I /O 正電源3. 3 V,模擬地與數字地用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
單片機通過對VS1003 寄存器的寫入來設置VS1003 芯片，對VS1003 數據緩沖區寫入數據，使其解碼。
3 軟件程序流程圖
單片機程序主要解決讀取CH375 數據，和寫入VS1003 寄存器用于播放音樂兩個問題。其中，5 種功能分別與圖3 的5 個功能按鍵一一對應。軟件程序流程圖如圖5 所示。
圖5 程序流程圖
4 結束語
如圖所示，旨在將音頻處理功能從計算機剝離，拓展U 盤使用范圍，設計了針對U 盤音頻文件數據處理的播放器電路，并用C 語言編寫了相關程序。該電路主要由3 個模塊構成，其中主控器選用增強型51 單片機STC12C5A60S2,語音解碼芯片采用芬蘭VLSI 公司的VS1003,而USB 設備接口芯片選用南京沁恒公司的CH375,采用USB 主機方式，外部單片機無需處理USB協議，就可直接以扇區為基本單位讀寫常用USB 存儲設備。
實際運行結果證明，該播放器完全符合設計預期，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，還可以通過按鍵控制，實現各種功能。整個系統電路的性價比較高，具有較強的可拓性。