摘  要： 提出了一种基于单片机的MP3播放器的设计方法。采用NXP公司的低电压、低功耗的LPC932A1高速单片机作为控制核心，采用SD卡作为歌曲存储介质，使用芬兰VLSL公司的VS1003B芯片（具有高速DSP芯）进行音频解码和回放，使之具有高性能、便携式、低成本的优点，实现了MP3播放器的播放部分与存储部分的分离，达到了大容量存储MP3播放器的目的。
关键词： LPC932A1；单片机；SD；VS1003B

　MP3是MPEG-1音频III（layer III）的简称，MP3标准用尽可能低的码流实现CD音质的声音而不会产生数据损失。低数据量和高播放品质的优点使其成为音乐存储、数字广播、网上音乐传输的主要方式。从第一款MP3 MPMan10诞生到现在已经十几年了。十几年来，MP3随身听以无可比拟的优势，逐渐成为传统卡带式随身听、CD随身听、MD随身听之后市场新的竞争者甚至是终结者[1]。但是目前市面上的MP3播放器的内存已经固定，用户只能被动地选择容量大小，而不能根据自己的实际需求使用可调的内存容量，例如内存容量不够使用时，只能去购买新的产品，造成各方面的浪费；况且随着MP4和音乐手机的推出，MP3已经受到很大冲击。为此，本设计采用大容量、高速度、具有极大移动灵活性的SD卡作为MP3播放器的存储介质，实现MP3播放器的播放部分与存储部分的分离，达到大容量存储MP3播放器的目的。
1 系统总体方案设计
　系统结构框图如图1所示。系统硬件主要包括LPC932A1单片机最小系统、VS1003B音频解码模块、SD卡读写模块、4个LED灯指示模块。本设计在电路板背面MCU附近设计了大容量的DataFlash芯片AT45DB161D的封装，这部分属于可选部分；只需焊上2~4 MB的Flash芯片，通过编程可实现固态介质放音功能，此时就更加接近真正意义上的便携式MP3播放器了。

　操作时，将SD卡插入系统，系统上电时主动识别SD卡并由LED灯D1显示系统自检状况，自检通过时该指示灯亮。系统读取SD卡上存储的MP3文件并将其送入音频解码芯片VS1003B进行解码播放。在播放过程中，D3指示灯闪亮，每读取一个扇区的数据时，该指示灯的亮灭状态改变一次，所以播放的音乐文件比特率越低，闪烁的频率也越低。按键模块可进行上下曲选取和音量加减的操作。
2 硬件模块的具体实现
2.1 LPC932A1单片机最小系统
　LPC900系列单片机是PHILIPS公司面向小型控制领域推出的一类性价比极佳的控制器，此系列兼容MCS-51单片机，开发人员很容易掌握，开发工具和一些应用例程也非常多；本播放器所用LPC932A1单片机采用高性能处理器结构，指令执行时间只需2~4个时钟周期，6倍于标准80C51器件[2]；LPC932A1的宽电压和低功耗是本播放器选为主控MCU的主要因素之一，整机播放时功耗在80 mA以内。
　LPC932A1 单片机最小系统是整体设计中最核心的部分，控制着系统各个子模块之间的协调运行，其设计的成功与否直接关系到整个设计能否正常运行。最小系统包括稳压模块、晶振电路、复位电路以及人机交互式按键输入部分。电源开关接口为2.54间距的双芯排针，便于外接电源开关。同时，用下载程序用的USB转串口模块也可以为整机供电。AMS1117-2.5V是系统稳压芯片，为系统提供稳定的2.5 V电源。考虑到MP3播放器的人机交互操作，本系统共用6个按键（SW1~SW6），即复位、暂停/播放、下一曲、上一曲、音量+、音量-功能键。
2.2 音频解码模块
　VS1003是芬兰VLSI公司生产的单芯片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，为用户提供工作数据存储器；5 KB的指令RAM和0.5 KB的数据RAM，串行的控制和数据输入接口；4个通用I/O口，1个UART口；拥有1个高品质可变采样率的ADC，1个立体声DAC以及一个耳机放大器和地线缓冲器[3]。VS1003B通过SPI总线与LPC932A1进行命令及数据的传输，其接口电路如图2所示。VS1003B主要通过SPI的3条数据线（串行输入SO、串行输出SI、SCLK）和4条控制线（片选输入XCS、数据片选端XDCS、数据请求DREQ、XRESET）实现与单片机的通信。
2.3 SD卡模块
　大小如一张邮票的SD卡（Secure Digital Memory Card）是基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，拥有高记忆量、快速数据传输、极大的灵活性以及很好的安全性等特征，在便携式装置上广泛使用，例如MP3、数码相机和个人数码助理（PDA）等[4]。
　SD卡支持三种传输模式：SPI模式（独立序列输入和序列输出）、1位SD模式（独立指令和数据通道，独有的传输格式）、4位SD模式（使用额外的针脚以及某些重新设置的针脚）。采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式[5]。图3为SD卡模块（SPI模式）的接口电路。

3 系统软件设计[6]
3.1 编程与程序下载说明
　本设计考虑到串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，且目前大部分便携电脑已开始取消该接口的情况，增加了一个USB转串口的模块，选用PL-2303H转换芯片使播放器使用通信口J9（标准的A型插座）与PC机相连，并可担当供电功能。要使用编程器在PC机上对LPC900系列单片机进行编程，首先要在PC机上安装好FlashMagic软件，以烧写LPC900系列各型号单片机。本系统的软件在德国Keil公司推出的C51编辑器中的集成开发环境μ-Vision2进行开发的，它具有强大的编译、连接和调试功能[7]。
3.2 软件功能分析
　系统软件中各模块主要函数如图4所示。其中，PlayMain（）是播放控制模块，在这一部分特意增加了播放程序中加入跳转到ISP程序区的按键处理模块，以便程序的升级和维护；VS1003.c为播放器解码驱动程序，并且控制器与VS1003B采用硬件SPI接口进行通信；New_SD.c为播放器SD卡驱动程序，其中安排了初始化与读扇区采用不同速度的底层硬件数据读写函数；FileSys.c用于MP3播放器的文件系统，能以文件名或音乐文件的顺序号来查找文件，非常适合于工程应用，且能以定时器和状态机来管理人机接口，相当方便和实用。播放器的软件流程图如图5所示。

3.3 SD卡模块分析
　本文将重点介绍设计中的SD卡模块。本系统目前支持的SD卡文件系统格式为FAT12和FAT16，可使用1 MB~16 GB的SD卡作为歌曲存储介质。为了便于文件资料的分门别类存放，程序中约定所有的音乐文件存放在SD卡根目录下的“播放音乐”子目录下，其他类型的文件或文件夹可以任意放置。操作前，先在PC机上格式化SD卡并选取FAT格式，然后建立“播放音乐”的文件夹，接着就可以往里面拷贝文件了。
　SD卡模块（New_SD.c）主要提供SD卡驱动以及部分对FAT文件系统操作的函数。New_SD.c文件主要包括以下函数：
　SD_Init：将SD卡设置成SPI-模式；
　SPI_ReadByte：通过SPI总线低速读取1 B数据，用于初始化SD卡时使用；
　SPI_TransferByte：通过SPI总线发送1 B数据，用于初始化SD卡；
　SD_SPI_WriteByte：通过SPI高速发送数据，用于SD卡扇区读过程中；
　SD_SPI_ReadByte：从SPI总线高速读1 B，用于从SD卡读数据；
　Write_Command_SD_HighSpeed与Write_Command_SD：向SD卡发送1 B的命令；
　Read_OneSector_From_SDCard_To_SRAM：读取SD卡里一个扇区的数据；
　SD_Read_Block是从SD卡中读取一个块的数据的函数，在此函数里，当发送完读取命令后，此时CPU有少量空闲时间，在等待SD卡准备数据就绪，故执行反转指示灯的操作：c_LED_Busy=~c_LED_Busy。    
使4个LED灯中的D3红灯反转，已达到闪烁的效果，非常有视觉上的感觉。
本着低成本、实用性强的原则，设计了一种解码器与存储器相分离的MP3播放器，可流畅地播放多种格式高音质的MP3文件[8]。硬件方面，本播放器开发板在程序下载口扩展了TXD、RXD，SDA、SCL等信号线，可连接I2C设备和串行通信设备进行测试；还预留了外接晶振的位置，可外接12 MHz的晶体提高处理速度；利用单片机控制DSP核的MP3解码芯片VS103B来解码MP3文件，解决了单片机的低速问题，便于播放控制；利用USB转串口与PC机通信传输数据，速度快；支持热拔插，便于MP3音乐文件的上传下载；利用SD卡作为存储介质，容量大、易更换、体积小携带方便。软件方面，程序中有进入“指定文件夹”和“播放指定文件名”功能函数，非常适合于选段或拼音语音的应用软件开发。
参考文献
[1] 新浪数码.[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] 杨善林，付超，马溪骏.基于NANDFlash控制结构复用的嵌入式存储系统研究[J].仪器仪体表学报，2006，27（8）：845-851.
[6] 王宇炎，李明伟.基于C51单片机的MP3播放器设计[J].电子技术，2009（10）：29-30.
[7] 徐爱钧，彭秀华.Keil Cx5151 V7.0单片机高级语言编程与μ Vision2应用实践（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2008：136.
[8] 洪家平.基于VS1003解码器的MP3播放器设计[J].单片机与嵌入式应用，2010（11）：53-56.