摘  要： 提出了一種基于單片機的MP3播放器的設計方法。采用NXP公司的低電壓、低功耗的LPC932A1高速單片機作為控制核心，采用SD卡作為歌曲存儲介質，使用芬蘭VLSL公司的VS1003B芯片（具有高速DSP芯）進行音頻解碼和回放，使之具有高性能、便攜式、低成本的優點，實現了MP3播放器的播放部分與存儲部分的分離，達到了大容量存儲MP3播放器的目的。
關鍵詞： LPC932A1；單片機；SD；VS1003B

　MP3是MPEG-1音頻III（layer III）的簡稱，MP3標準用盡可能低的碼流實現CD音質的聲音而不會產生數據損失。低數據量和高播放品質的優點使其成為音樂存儲、數字廣播、網上音樂傳輸的主要方式。從第一款MP3 MPMan10誕生到現在已經十幾年了。十幾年來，MP3隨身聽以無可比擬的優勢，逐漸成為傳統卡帶式隨身聽、CD隨身聽、MD隨身聽之后市場新的競爭者甚至是終結者[1]。但是目前市面上的MP3播放器的內存已經固定，用戶只能被動地選擇容量大小，而不能根據自己的實際需求使用可調的內存容量，例如內存容量不夠使用時，只能去購買新的產品，造成各方面的浪費；況且隨著MP4和音樂手機的推出，MP3已經受到很大沖擊。為此，本設計采用大容量、高速度、具有極大移動靈活性的SD卡作為MP3播放器的存儲介質，實現MP3播放器的播放部分與存儲部分的分離，達到大容量存儲MP3播放器的目的。
1 系統總體方案設計
　系統結構框圖如圖1所示。系統硬件主要包括LPC932A1單片機最小系統、VS1003B音頻解碼模塊、SD卡讀寫模塊、4個LED燈指示模塊。本設計在電路板背面MCU附近設計了大容量的DataFlash芯片AT45DB161D的封裝，這部分屬于可選部分；只需焊上2~4 MB的Flash芯片，通過編程可實現固態介質放音功能，此時就更加接近真正意義上的便攜式MP3播放器了。

　操作時，將SD卡插入系統，系統上電時主動識別SD卡并由LED燈D1顯示系統自檢狀況，自檢通過時該指示燈亮。系統讀取SD卡上存儲的MP3文件并將其送入音頻解碼芯片VS1003B進行解碼播放。在播放過程中，D3指示燈閃亮，每讀取一個扇區的數據時，該指示燈的亮滅狀態改變一次，所以播放的音樂文件比特率越低，閃爍的頻率也越低。按鍵模塊可進行上下曲選取和音量加減的操作。
2 硬件模塊的具體實現
2.1 LPC932A1單片機最小系統
　LPC900系列單片機是PHILIPS公司面向小型控制領域推出的一類性價比極佳的控制器，此系列兼容MCS-51單片機，開發人員很容易掌握，開發工具和一些應用例程也非常多；本播放器所用LPC932A1單片機采用高性能處理器結構，指令執行時間只需2~4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件[2]；LPC932A1的寬電壓和低功耗是本播放器選為主控MCU的主要因素之一，整機播放時功耗在80 mA以內。
　LPC932A1 單片機最小系統是整體設計中最核心的部分，控制著系統各個子模塊之間的協調運行，其設計的成功與否直接關系到整個設計能否正常運行。最小系統包括穩壓模塊、晶振電路、復位電路以及人機交互式按鍵輸入部分。電源開關接口為2.54間距的雙芯排針，便于外接電源開關。同時，用下載程序用的USB轉串口模塊也可以為整機供電。AMS1117-2.5V是系統穩壓芯片，為系統提供穩定的2.5 V電源。考慮到MP3播放器的人機交互操作，本系統共用6個按鍵（SW1~SW6），即復位、暫停/播放、下一曲、上一曲、音量+、音量-功能鍵。
2.2 音頻解碼模塊
　VS1003是芬蘭VLSI公司生產的單芯片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，為用戶提供工作數據存儲器；5 KB的指令RAM和0.5 KB的數據RAM，串行的控制和數據輸入接口；4個通用I/O口，1個UART口；擁有1個高品質可變采樣率的ADC，1個立體聲DAC以及一個耳機放大器和地線緩沖器[3]。VS1003B通過SPI總線與LPC932A1進行命令及數據的傳輸，其接口電路如圖2所示。VS1003B主要通過SPI的3條數據線（串行輸入SO、串行輸出SI、SCLK）和4條控制線（片選輸入XCS、數據片選端XDCS、數據請求DREQ、XRESET）實現與單片機的通信。
2.3 SD卡模塊
　大小如一張郵票的SD卡（Secure Digital Memory Card）是基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，擁有高記憶量、快速數據傳輸、極大的靈活性以及很好的安全性等特征，在便攜式裝置上廣泛使用，例如MP3、數碼相機和個人數碼助理（PDA）等[4]。
　SD卡支持三種傳輸模式：SPI模式（獨立序列輸入和序列輸出）、1位SD模式（獨立指令和數據通道，獨有的傳輸格式）、4位SD模式（使用額外的針腳以及某些重新設置的針腳）。采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用SPI模式[5]。圖3為SD卡模塊（SPI模式）的接口電路。

3 系統軟件設計[6]
3.1 編程與程序下載說明
　本設計考慮到串口（COM）不支持熱插拔及傳輸速率較低，且目前大部分便攜電腦已開始取消該接口的情況，增加了一個USB轉串口的模塊，選用PL-2303H轉換芯片使播放器使用通信口J9（標準的A型插座）與PC機相連，并可擔當供電功能。要使用編程器在PC機上對LPC900系列單片機進行編程，首先要在PC機上安裝好FlashMagic軟件，以燒寫LPC900系列各型號單片機。本系統的軟件在德國Keil公司推出的C51編輯器中的集成開發環境μ-Vision2進行開發的，它具有強大的編譯、連接和調試功能[7]。
3.2 軟件功能分析
　系統軟件中各模塊主要函數如圖4所示。其中，PlayMain（）是播放控制模塊，在這一部分特意增加了播放程序中加入跳轉到ISP程序區的按鍵處理模塊，以便程序的升級和維護；VS1003.c為播放器解碼驅動程序，并且控制器與VS1003B采用硬件SPI接口進行通信；New_SD.c為播放器SD卡驅動程序，其中安排了初始化與讀扇區采用不同速度的底層硬件數據讀寫函數；FileSys.c用于MP3播放器的文件系統，能以文件名或音樂文件的順序號來查找文件，非常適合于工程應用，且能以定時器和狀態機來管理人機接口，相當方便和實用。播放器的軟件流程圖如圖5所示。

3.3 SD卡模塊分析
　本文將重點介紹設計中的SD卡模塊。本系統目前支持的SD卡文件系統格式為FAT12和FAT16，可使用1 MB~16 GB的SD卡作為歌曲存儲介質。為了便于文件資料的分門別類存放，程序中約定所有的音樂文件存放在SD卡根目錄下的“播放音樂”子目錄下，其他類型的文件或文件夾可以任意放置。操作前，先在PC機上格式化SD卡并選取FAT格式，然后建立“播放音樂”的文件夾，接著就可以往里面拷貝文件了。
　SD卡模塊（New_SD.c）主要提供SD卡驅動以及部分對FAT文件系統操作的函數。New_SD.c文件主要包括以下函數：
　SD_Init：將SD卡設置成SPI-模式；
　SPI_ReadByte：通過SPI總線低速讀取1 B數據，用于初始化SD卡時使用；
　SPI_TransferByte：通過SPI總線發送1 B數據，用于初始化SD卡；
　SD_SPI_WriteByte：通過SPI高速發送數據，用于SD卡扇區讀過程中；
　SD_SPI_ReadByte：從SPI總線高速讀1 B，用于從SD卡讀數據；
　Write_Command_SD_HighSpeed與Write_Command_SD：向SD卡發送1 B的命令；
　Read_OneSector_From_SDCard_To_SRAM：讀取SD卡里一個扇區的數據；
　SD_Read_Block是從SD卡中讀取一個塊的數據的函數，在此函數里，當發送完讀取命令后，此時CPU有少量空閑時間，在等待SD卡準備數據就緒，故執行反轉指示燈的操作：c_LED_Busy=~c_LED_Busy。    
使4個LED燈中的D3紅燈反轉，已達到閃爍的效果，非常有視覺上的感覺。
本著低成本、實用性強的原則，設計了一種解碼器與存儲器相分離的MP3播放器，可流暢地播放多種格式高音質的MP3文件[8]。硬件方面，本播放器開發板在程序下載口擴展了TXD、RXD，SDA、SCL等信號線，可連接I2C設備和串行通信設備進行測試；還預留了外接晶振的位置，可外接12 MHz的晶體提高處理速度；利用單片機控制DSP核的MP3解碼芯片VS103B來解碼MP3文件，解決了單片機的低速問題，便于播放控制；利用USB轉串口與PC機通信傳輸數據，速度快；支持熱拔插，便于MP3音樂文件的上傳下載；利用SD卡作為存儲介質，容量大、易更換、體積小攜帶方便。軟件方面，程序中有進入“指定文件夾”和“播放指定文件名”功能函數，非常適合于選段或拼音語音的應用軟件開發。
參考文獻
[1] 新浪數碼.[EB/OL].http：//tech.sina.com.cn/digi/2009-07-25/0034998509.shtml. 200-07-25/2011-10-08.
[2] Philips Semiconductors .P89LPC932A1 product data sheet rev.02 [Z]. 2005.
[3] VLSI.VS1003 Preliminary version 0.92[Z].2005.
[4] 百度百科.SD卡.[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/2228.htm.2011-10-08.
[5] 楊善林，付超，馬溪駿.基于NANDFlash控制結構復用的嵌入式存儲系統研究[J].儀器儀體表學報，2006，27（8）：845-851.
[6] 王宇炎，李明偉.基于C51單片機的MP3播放器設計[J].電子技術，2009（10）：29-30.
[7] 徐愛鈞，彭秀華.Keil Cx5151 V7.0單片機高級語言編程與μ Vision2應用實踐（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2008：136.
[8] 洪家平.基于VS1003解碼器的MP3播放器設計[J].單片機與嵌入式應用，2010（11）：53-56.