基于STC12C5A60S2的U盤音頻播放器設計

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(xiàn)電路，并提供了軟件程序流程圖。運行結(jié)果表明，播放器實現(xiàn)了預期功能，且具有較高的性價比和可拓性。
關鍵詞 U盤；MP3播放器；STC12C5A60S2；VS1003

    U盤即閃存盤，是一種用閃存進行數(shù)據(jù)存儲的介質(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(shù)據(jù)，現(xiàn)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(fā)展范圍。
    筆者認為，針對某一特定功能，剝離相應數(shù)據(jù)對計算機的依賴性，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盤實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并依據(jù)功能鍵的控制指令，將USB存儲設備的相關數(shù)據(jù)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(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。
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。

    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(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／DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)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。[!--empirenews.page--]
    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(xié)議與USB設備通訊。CH375還內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)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(shù)據(jù)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。

    單片機通過寫命令來和數(shù)據(jù)來控制CH375，并通過CH375獲得U盤數(shù)據(jù)。CH375內(nèi)置相關的固件程序，自動處理了USB等協(xié)議。單片機可以通過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)層就可以實現(xiàn)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(chǎn)的單時鐘／機器周期的單片機，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專用復位電路，4個定時器，2個串口，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。
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(shù)據(jù)存儲器、為用戶應用提供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個常規(guī)用途的I／O口、1個UART、1個高品質(zhì)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—個系統(tǒng)的從機。輸入的bit流被解碼，然后通過數(shù)字音量控制器到達1個18位過采樣多位ε-△DAC。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(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。
    單片機通過對VS1003寄存器的寫入來設置VS1003芯片，對VS1003數(shù)據(jù)緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，使其解碼。[!--empirenews.page--]

3 軟件程序流程圖
    單片機程序主要解決讀取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。

4 結(jié)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(shù)據(jù)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(gòu)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(xié)議，就可直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用USB存儲設備。
    實際運行結(jié)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(xiàn)各種功能。整個系統(tǒng)電路的性價比較高，具有較強的可拓性。