基于MCU和音頻解碼器設計磁帶式MP3播放器

出處：darren1206 發(fā)布于：2007-08-02 16:07:48

隨著數字化技術在音頻的編輯、合成、效果處理、存儲、傳輸等方面的不斷進步，數字化的音頻產品已經成為市場主流，傳統(tǒng)的純模擬的音頻產品幾乎退出了市場。例如CD播放器、 MP3播放器等產品以更為優(yōu)良的音質、更加方便的存儲和傳輸等特點逐漸地取代了傳統(tǒng)的以磁帶式錄音磁帶為媒介的音樂播放設備。但是，在某些領域特別是低配置的汽車上，以錄音磁帶為媒介的音響播放系統(tǒng)仍然大量存在，如果把這些播放設備進行數字化改造，則需要較高的成本。本文將系統(tǒng)介紹福華先進微電子公司提供的經濟型解決方案——磁帶式（外型）MP3播放器mTape。

mTape是新一代創(chuàng)新的便攜式音樂播放器。它具有磁帶式的外殼（見圖1），并可像磁帶一樣放入卡式磁帶機中，但播放的是音質更為優(yōu)美的MP3音樂。由于其帶有靈活簡潔的操作界面，在脫離卡式磁帶機時，還可以作為一個通用的便攜式MP3播放器。它支持SD/MMC卡即插即用，用戶可自由擴展存儲空間；高速 USB2.0接口既可以傳輸數據又可以對內置的鋰電池進行充電，充分體現出它簡潔方便的特點。
硬件系統(tǒng)的主要器件
mTape的構成主要基于福華先進微電子公司的微控制器FS7821和音頻解碼器FS2401，圖2為mTape硬件系統(tǒng)框圖。該框圖包括兩部分：虛框內為數據的傳輸處理；虛框外為供電和充電部分。
FS7821是一個基于RISC架構的8051內核的媒體控制器，它具有兼容性良好的高速USB2.0接口和多種媒體接口控制器，例如NAND FLASH存儲器、Smart Media (SM)、CompactFlash (CF)、Micro Drive、Secure Digital (SD)、 Multi Media Card (MMC)、 Memory Stick (MS)、Memory Stick-Pro (MS-pro)、 xD Picture (xD)等控制器。從PC經USB2.0傳輸的數據無需CPU處理，通過DMA直接傳送到媒體介質，大大提高數據的傳輸效率。
FS7821內部指令100％兼容為流行的工業(yè)標準8051，所以在軟件上和標準8051是完全兼容的，為軟件設計帶來極大的方便。由于它采用的是流水線RISC架構8051MPU內核，其指令處理速度比標準8051處理速度快很多。而且，它還采用了先進的數據傳輸算法，優(yōu)化了總線架構。這些新的設計方法使得無需增加控制器或者媒體器件成本就可以使數據傳輸和存儲速度大大地提高。除此之外，FS7821為各種存儲卡的外圍器件控制和擴展提供了32個GPIO引腳，也使得FS7821特別適合設計FLASH MP3、讀卡器等相關產品。
FS2401是一個單片MP3音頻解碼芯片，片內集成了高性能低功耗的DSP處理器內核、高質量的可變率采樣立體聲DAC、音頻功率放大器、串行數據輸入接口SPI，以及控制信號I/O和通用I/O。FS2401作為一個從屬器件偵聽通過SPI接口傳來的比特流數據。比特流數據被解碼后，經過數字音量控制傳到過采樣multi-bit, sigma-delta DAC，整個解碼過程只通過SPI接口進行控制。除了基本的解碼之外，還可以通過其內部的用戶RAM區(qū)加入特殊的音樂效果。
硬件部分的5種主要功能
MP3播放器功能：FS7821利用4個GPIO和音頻解碼器FS2401的SPI接口相連，可以對FS2401進行初始化和實時控制，并能從SD卡或者MMC卡自動讀取MP3文件，然后傳到FS2401進行解碼，產生的兩路立體聲模擬信號送到耳機插孔和磁頭。
讀卡器功能：由于FS7821通過內部集成了高速的USB2.0接口、DMA和多媒體接口，很容易實現PC機和mTape的SD/MMC卡之間任何格式的文件高速傳輸和存儲。

卡式磁帶機播放功能：mTape和通用盒式磁帶一樣可以放入卡式磁帶機中進行同步播放、快進、快退、暫停等所有功能。之所以能夠實現這些操作，完全在于它能夠測定卡式磁帶機導帶輪的轉動速度的快慢及方向。在mTape中有兩小一大三個互相咬合的齒輪，其中一個小齒輪可以隨卡式磁帶機中的導帶轉軸轉動，就可以通過大齒輪帶動另一小齒輪向同樣方向轉動。在大齒輪正上方的PCB板上安裝有兩個反射式光耦, 以大齒輪中心為交點兩光耦的軸心線夾角為45。，當大齒輪的白色部分位于反射式光耦下部時，由反射式光耦組成的電路會產生低電平；反之，當大齒輪的黑色部分位于反射式光耦下部時，由反射式光耦組成的電路會產生高電平。這樣，當大齒輪勻速轉動時，兩個反射式光耦組成的電路就會產生A、B兩路方波。其中A路方波送入FS7821的通用GPIO，B路信號送到FS7821的外部中斷0引腳。A、B兩路方波相位總差90。。當B方波下降沿觸犯外部中斷0后，如果判斷A方波電平為高，就為向前轉；如果A方波為低電平，就為向后轉。轉動速度可以通過計算單位時間內波形的數據進行判斷。

USB充電：由于mTape內置一塊大容量的鋰電池，采用一枚高效率的鋰電池充電芯片將來自USB口的＋5V電源通過變?yōu)楹銐?.2V對鋰電池進行充電。

自動上電/斷電功能：當mTape插入卡式磁帶機并按下PLAY按鈕時，mTape上的磁頭會被磁帶機的磁頭下壓，mTape磁頭的托架下的小棒就會插入位于它下面的透射式光耦的間隙中，由透射式光耦組成的電路會啟動電源管理芯片為mTape供電。FS7821上電，并檢測系統(tǒng)狀態(tài)，然后通過一個GPIO來控制電源管理芯片的狀態(tài)，保持電源的穩(wěn)定性。當卡式磁帶機處于暫停或停止狀態(tài)時，mTape的磁頭會彈起，磁頭托架下的小棒會從透射式光耦的間隙中抽出。光耦電路就會發(fā)出一個待機信號。如果這個信號持續(xù)時間超過5分鐘，FS7821就會關閉電源，為mTape斷電。

軟件架構
從軟件上來說，mTape主要有兩個功能，一個是音樂播放功能（包括便攜式MP3模式和卡式磁帶機播放模式），另一個是讀卡器功能。人－機界面管理（MMI management）程序根據mTape的按鍵、卡帶機傳來的信號、USB連接/斷開等自由的切換這兩種功能。具體軟件架構見圖3。
音樂程序流程：音樂功能部分的主要任務是FS7821從SD/MMC卡中讀取一個音頻文件然后送到解碼器FS2401進行解碼。當所有的音樂文件播放完畢之后，mTape又返回播放首曲子，因此這是一個循環(huán)播放的模式。
讀卡器功能：讀卡器程序可以分為兩個部分：USB連接偵測部分和讀卡器實體部分。當PC機的USB接口和mTape連接上以后，系統(tǒng)就進入USB模式，執(zhí)行讀卡器實體程序。
MMI部分：MMI(人－機界面)管理部分處理用戶的發(fā)出的命令。用戶可以通過mTape上的按鍵、卡式磁帶機上的按鍵以及USB線的斷開/連接對mTape發(fā)出命令。這些命令分為兩種：一種是USB命令，另一種是音樂播放命令。因為MMI沒有嚴格的實時性要求，而且程序不是十分復雜，所以在mTape中沒有必要采用實時操作系統(tǒng)。當FS2401沒有音頻數據傳送要求時，FS7821就處于空閑狀態(tài)。利用這段空閑時間就足可以處理用戶發(fā)出的命令。