基于单片机的U盘音频播放器设计与实现
摘要：设计了一个基于STC12C5A60S2 的U 盘音频播放器，介绍了播放器的设计思路和原理框图，分别就播放器的3 个模块给出具体的实现电路，并提供了软件程序流程图。运行结果表明，播放器实现了预期功能，且具有较高的性价比和可拓性。 U 盘即闪存盘，是一种用闪存进行数据存储的介质，通常使用USB 插头。U 盘体积极小、重量轻、可热插拔也可以重复写入。自其面世后，迅速普及并取代传统的软盘，成为主要的便携存储模式。随着U 盘体积的不断减小、存储容量却不断加大，使得U 盘的使用范围也不断拓展。然而U 盘所储存的数据，现今仍大多通过计算机提取并进行处理，这也局限了U 盘的发展范围。 针对某一特定功能，剥离相应数据对计算机的依赖性，一方面可充分利用U 盘数据，另一方面也发挥出USB 协议的通用性，使U 盘实现所用即所得的便携特性。基于此，设计了U 盘MP3 播放器电路，主要完成U 盘存储的音频文件的数据提取及功能运行任务。该播放器等同于个人计算机的音频处理模块，不仅可识别、提取U 盘所存储的MP3、WMA 或MIDI格式的文件，并可自行完成音频解码等数据处理工作，最后送入扬声器或耳机进行播放。 1 播放器组成原理框图 播放器组成原理如图1 所示，共由3 个主要模块组成： 单片机处理模块，由STC12C4A60S52 单片机及其外围电路组成； U 盘读写模块，由CH375 及其外围电路组成； 为音频解码模块，由VS1003芯片及其外围电路组成。 播放器的工作过程是： MCU 通过CH375 读取来自USB 存储设备的数据，并依据功能键的控制指令，将USB 存储设备的相关数据送入音频解码模块，在VS1003 解码后，送入扬声器或耳机。设置6 个人机交互功能按键，分别实现播放、暂停、上一曲、下一曲、增大音量、减小音量等基本操作功能。
2 硬件电路设计 如图1 所示，主要完成U 盘读写、单片机处理及音频解码3 个模块的电路设计。 图1 原理方框图 2. 1 U 盘读写模块 U 盘读写模块由CH375 及其外围电路组成，其构成如图2 所示。 图2 CH375 外围硬件电路 CH375 是USB 总线通用接口芯片，支持USB 主机及从设备方式。在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。在USB 主机方式下，CH375 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、输出和中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。 CH375 的USB 主机方式支持常用的USB 全速设备，外部单片机可通过CH375 按照相应的USB 协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass - Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备。 设计中，CH375 采用主机方式，图中J1为USB 插座，可连接U 盘等存储设备，D1为指示LED，当检测到USB 设备连接时灯亮。当TXD 引脚连接到地时，CH375 工作在并口方式，此时图中JP1接口D0 ~ D7为双向数据总线，连接单片机。 单片机连接图中JP2接口，通过程序控制CH375，其功能及特性如表1 所示。 表1 JP2功能及特性 单片机通过写命令来和数据来控制CH375，并通过CH375 获得U 盘数据。CH375 内置相关的固件程序，自动处理了USB 等协议。单片机可以通过CH375直接获取U 盘扇区的数据，因此只需处理FAT 文件系统层就可以实现对U 盘文件的操作。
2. 2 MCU 模块 MCU 模块，由STC12C4A60S52 单片机及其外围电路组成。STC12C5A60S2 是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8 ~ 12 倍，提供Flash 程序存储器60 kByte，1 kByte的EEPROM，片上集成1 280 Byte RAM.工作电压5. 5 ~ 3. 5 V，内部集成MAX810 专用复位电路，4个定时器，2个串口，2路PWM，8 路高速10 位A/D 转换， ISP /IAP，内置看门狗电路，外部掉电检测电路等。 图3 为播放器MCU 模块的硬件电路原理图，其中， JP4为电源输入接口，D1为电源指示灯，排阻Rp1为P0口的上拉电阻。JP2和JP3接到U 盘读写模块对应的接口上。由于单片机在5 V 电源下工作，而VS1003在3. 3 V 电源下，所以工作P1口应该接限流电阻到JP1再到音频解码模块对应的接口上。电路设置5 个功能按键，“UP”为增大音量，“DOWN”为减小音量，“LEFT”为选择上一曲，“DOWN”为选择下一曲，而“PLAY”为播放/暂停键。 图3 MCU 模块硬件电路 2. 3 音频解码模块 音频解码模块，由VS1003 芯片及其外围电路组成。VS1003 是一个单片MP3 /WMA/MIDI 音频解码器和ADPCM 编码器。它包含一个高性能低功耗的DSP 处理器核VS_DSP、工作数据存储器、为用户应用提供5 kB 的指令RAM 和0. 5 kB 的数据RAM、串行控制和数据接口、4 个常规用途的I /O 口、1 个UART、1个高品质可变采样率的ADC 和立体声DAC、1 个耳机放大器和地线缓冲器。 VS1003 通过一个串行接口接收输入的bit 流，可作为一个系统的从机。输入的bit 流被解码，然后通过数字音量控制器到达1 个18 位过采样多位ε - ΔDAC.VS1003通过串行总线控制解码器，除了基本解码功能，在用户RAM 中还可以做其他特殊应用，例如DSP 音效处理。 图4 为播放器的VS1003 外围硬件电路原理图，其中，AVDD 为模拟正电源3. 3 V，CVDD 为数字正电源2. 5 V， IOVDD 为I /O 正电源3. 3 V，模拟地与数字地用0 电阻隔离。J1、J2均为3. 5 音频插座，J1为音频输出，J2为音频输入。 图4 VS1003 外围硬件电路 单片机通过对VS1003 寄存器的写入来设置VS1003 芯片，对VS1003 数据缓冲区写入数据，使其解码。
3 软件程序流程图 单片机程序主要解决读取CH375 数据，和写入VS1003 寄存器用于播放音乐两个问题。其中，5 种功能分别与图3 的5 个功能按键一一对应。软件程序流程图如图5 所示。 图5 程序流程图
4 结束语 如图所示，旨在将音频处理功能从计算机剥离，拓展U 盘使用范围，设计了针对U 盘音频文件数据处理的播放器电路，并用C 语言编写了相关程序。该电路主要由3 个模块构成，其中主控器选用增强型51 单片机STC12C5A60S2，语音解码芯片采用芬兰VLSI 公司的VS1003，而USB 设备接口芯片选用南京沁恒公司的CH375，采用USB 主机方式，外部单片机无需处理USB协议，就可直接以扇区为基本单位读写常用USB 存储设备。 实际运行结果证明，该播放器完全符合设计预期，U 盘即插即用，不仅可播放U 盘中指定目录中的MP3文件、WMA 文件、MIDI 文件，还可以通过按键控制，实现各种功能。整个系统电路的性价比较高，具有较强的可拓性。
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