0 引言
隨著電子技術的發展，MP3播放器是目前市場上流行的消費類數碼產品之一，具有大容童、高音質、小巧便攜等特點．而倍受廣大消費者的青睞。本文采用ETC公司的微控制器STC89C58RD+，結合解碼芯片VS1003、USB接口芯片CH375、LCD等外圍設備設計并實現了MP3播放器。主要功能有：播放VS1003支持的所有音頻文件，包括MP3，WMA，WAV文件，且音質非常好，具有按鍵控制播放上一首／下一首、音量增減等，可通過LCD顯示歌曲名字和播放狀態信息等功能。
1 硬件系統設計
系統工作原理框圖如圖1所示。系統啟動后，單片機通過USB接口芯片CH375，從U盤中獲取MP3格式文件的數據，并存入片內RAM進行緩沖，然后單片機定時將數據從緩沖區送到MP3音頻解碼芯片VS1003，實現解碼并輸出音頻信號到耳機或者有源音響輸出。用戶可以通過鍵盤實現“啟動”、“上一曲”、“下一曲”、“音量控制”及“停止”等功能，并將播放狀態信息通過LCD顯示。系統框圖如圖1所示。
1．1 單片機讀取MP3數據模塊
數據讀取模塊包括單片機控制器，USB串行數據轉換成8位并行數據CH375芯片和MP3格式數據存儲U盤3部分。
1．1．1 單片機控制器
采用宏晶公司的STC89C58RD+單片機，該單片機最高可工作于33 MHz時鐘，具有32 KB的FLASH，1 KB的內部RAM，引腳與指令系統均與51單片機兼容。本設計中，單片機工作在30 MHz的系統時鐘下，能滿足系統對數據帶寬的要求。
1．1．2 USB接口芯片CH375
CH375是一個USB總線通用接口電路，支持HOST主機方式和SLAVE設備方式。CH375內部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數據緩沖區、被動并行接口、異步串型接口、命令解釋器、控制傳輸的協議處理器、通用的固件程序等。在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP等控制器的系統總線上，并內置海量存儲固件。CH375的USB主機方式支持各種常用的USB全速設備，外部單片機、DSP、MCU可以通過CH375按照相應的USB協議與USB設備通信，支持常用的12 Mb／s全速USB設備。
1．1．3 工作原理
利用單片機實現將U盤中的音頻數據經CH375的USB轉串行接口傳送至單片機內部RAM緩沖，以等待解碼。其中CH375是一款USB總線的通用接口芯片，可以方便地掛接到單片機的控制總線上，同時CH375的USB主機方式支持常用的USB全速設備，外部單片機可以通過CH375按照相應的USB通信協議與USB設備通信。
由于CH375內置了USB通信協議，省去了對USB通信協議的了解，單片機可以直接調用API庫讀寫U盤中的文件數據，硬件上只需在51單片機系統中增加一個CH375芯片，綜合成本較低。CH375支持全速的USB-HOST主機接口，外圍元器件只需要少量晶體和電容，便可支持5 V電源電壓和3．3 V電源電壓，CH375芯片還支持低功耗模式，正常工作時，需要外部為它提供12 MHz的時鐘信號。電路原理如圖2所示。
1．2 音頻解碼模塊
音頻解碼模塊包括2大部分單片機控制器和專用MP3音頻解碼芯片VS1003。
1．2．1 音頻解碼芯片VS1003
VS1003是一個單片MP3／WMA／MIDI音頻解碼器和ADPCM編程器。它包含一個高性能、自主產權的低功耗DSP處理器核VS_DSP，并提供5KB的指令RAM和0．5 KB的數據RAM。產生MIDI／SP-MIDI文件，內含高性能片上立體聲數／模轉換器，兩聲道，無相位差，在播放音頻文件時不需要外加驅動電路，VS1003內部自帶耳機功放，只要調試好電路系統，接入耳機就可以聽到美妙的音樂。同時，VS1003為用戶提供5．5 KB的片上RAM，并支持SPI串行通信的控制數據接口。
1．2．2 工作原理
系統上電啟動后，由單片機控制將存儲于U盤中歌曲的MP3數據格式流信息通過CH375USB接口芯片送入到VS1003芯片中，通過VS1003芯片解碼及其內含高質量的立體聲DAC和耳機驅動電路，實現MP3歌曲的播放，在按鍵的控制下，可實現對歌曲的選擇、音量增減等功能。VS1003的所有數據和控制命令均通過SPI總線接口實現，由于設計中所采用的單片機沒有SPI接口，因此，在設計中采用單片機的3個I／O口來模擬SPI時序，以達到實現SPI通信功能。電路如圖3所示。
1．3 鍵盤及顯示模塊
鍵盤采用的是獨立按鍵，與單片機P30～P34相連接，實現“開始”、“下一曲”、“上一曲”、“音量+”和“音量-”等5個功能。播放的狀態由Nokia5110液晶顯示，該液晶為84×48點陣的LCD，可以顯示4行漢字，并支持串行通信協議，傳輸速率高達4 Mb／s，可全速寫入顯示數據，方便地與單片機進行通信。該液晶外部信號線僅有9條，節約本來就緊張的I／O口，其串行通信模式下的控制時序如圖4所示。
1．4 電源模塊
系統采用的是5 V直流電源供電，并通過5 V轉3．3 V的SPX1117-3．3 V芯片給單片機，VS1003解碼器和USB專用芯片CH375模塊供電，其電源電路原理如圖5所示。
2 軟件系統設計
本系統單片機的軟件設計采用C51語言編寫，源程序共分3個部分，即：單片機驅動CH375程序，單片機控制VS1003實現音頻解碼程序，按鍵和顯示驅動程序。在編寫CH375模塊部分的程序時，用到了從南京沁恒公司官方網站下載的CH375的API函數庫“CH375HF4．LIB”文件，簡化了程序設計。因為單片機的硬件資源十分有限，在硬件調試過程中，出現在傳送頻率較高的歌曲時，由于采樣頻率低，帶寬不夠，而造成聲音失真。所以在系統的開發過程中，應優化程序，提高運行速度，保證播放歌曲的流暢，其軟件流程如圖6所示。
3 結語
設計的MP3播放器采用51單片機加VS1003解碼，并通過CH375USB專用芯片進行數據讀取，這種組合方式相比于采用AVR或者MSP430系列的高端單片機，達到的播放效果也毫不遜色。系統的整個設計難點在于單片機如何高效的從U盤中讀取數據，并以一定的時序將緩沖的數據傳輸給VS1003，實現解碼。在此采用的方法一是提高系統的時鐘；二是通過修改軟件，精簡程序，來加快了系統的傳輸速率，使播放音樂更加流暢。