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基于ATmega128L的大容量MP3播放機
摘要：介紹Atmel公司生產的ATmega128L單片機的特點；提出一種以硬盤為存儲介質的MP3播放機的設計方案；給出硬件設計結構和軟件設計思路。關鍵詞：ATmega128L MP3播放機 解碼器LCD
引言
以Flash為存儲介質的MP34播放器，由于其體積小、攜帶方便、價位合理及其時尚的外圍觀設計，受到很多人的青睞。但Flash的價位由于受其制造工藝的制約一直居高不下，從而使MP3播放器的容量僅限于32M、64M、128M等幾個檔次。本文旨在提出一種以筆記本硬盤為存儲介質的MP3播放機的設計方案。該款播放機既具有移動硬盤的功能，又可作為MP3播放機使用。
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1 系統結構
在該系統的設計中，采用Atmel公司生產的ATmega128L作為主控MCU。整個系統的結構框圖如1所示。PC機通過USB接口實現對硬盤的管理和對MP3歌曲、文檔等數據信息的存儲。系統啟動后，首先將硬盤上的一部分MP3歌曲送入Flash中存儲，由MCU控制將儲存于Flash中歌曲的碼流信息送入MP3解碼芯片中解碼，并產生解碼輸出。在系統的DAC模塊把解碼輸出轉換為模擬音頻聲音后，經一級音頻放大并驅動耳機，實現MP3歌曲的播放功能。在按鍵的控制下，通過LCD中菜單選項的選擇，實現對歌曲播放模式、聲音音效、液晶對比度的調度以及歌曲選擇等功能；在播放的同時，LCD上顯示的信息除滾動的歌曲名稱、演唱者、碼流率等ID3信息外，還包括系統供電電池的電量及歌曲播放模式等圖標。
系統包括主控MCU、硬盤、Flash緩存、按鍵、LCD、解碼器和D/A轉換器等幾部分。
2 ATmega128L的主要特點
ATmega128L內核為AVR，具有以下特點：
*先進的RISC架構，內部具有133條功能強大的指令系統，而且大部分指令是單周期；32個8位通用工作寄存器+外圍接口控制寄存器。
*內部有128KB在線可重復編程Flash、4KBEEPROM和4KB SRAM。
*有53個I/O引腳，每個I/O口分別對應輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個寄存器，使功能口和I/O口可以復用，大大增強了端口功能和靈活性，提高了對外圍的開發能力。
*內部有2個8位定時器/計數器和2個具有比較/捕捉寄存器的16位定時器/計數器；1個具有獨立振蕩器的實時計數器；1個可編程看門狗定時器；2通道8位PWM通道；8路10位A/D轉換器；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；片內精確的模擬比較器等。
*功耗低。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等幾種省電模式下；可軟件編程選擇時鐘頻率。ATmega128L的軟件結構也是針對低功耗而設計的，具有內外多種中斷模式。豐富的中斷能力減少了系統設計中查詢的需要，可以方便地設計出中斷程序結構的控制程序、上電復位和可編程的低電壓檢測。
*帶JTAG接口。通過該口利用JTAG仿真器，可以很方便地實現程序的在線調試和仿真，編譯調試正確的代碼，通過JTAG口直接寫入ATmega128的Flash代碼區中。另外，支持Bootloader功能，即MCU上電后，首先通過駐留在Flash中的BootLoader程序，將存儲在外部媒介中的應用程序搬移到ATmega128L的Flash代碼區。搬移成功后自動去執行代碼，完成自啟動。這對于產品化后程序的升級和維護提供了極大的方便。
*電源電壓為2.7～5.5V
3 系統硬件設計中的各個接口模塊
3.1 MCU與硬盤的接口設計
系統設計中選擇2.5英寸的筆記本硬盤作為存儲介質。筆記本硬盤接口是標準并行IDE接口。MCU與硬盤的接口電路如圖2所示。ATmega128L的PA、PC口與硬盤的16根數據線相連。IDE接口是基于寄存器結構的，所有對硬盤的控制操作均通過對相應寄存器操作來實現。IDE接口的硬盤驅動器有16個寄存器，分為2段，每段有8個寄存器，兩段寄存器的選擇由CS0、CS1來確定，通過DA0、DA1、DA2來選通每個段的8個寄存器。寄存器如表1所列。IDE接口有兩種傳輸模式：PIO模式和DMA模式。在本系統的設計中，采用PIO傳輸模式。PIO傳輸模式由處理器負責信息的傳輸，硬盤以扇區為單位與處理器進行數據交換；在進行扇區讀寫時，一次通過端口的數據為16位。8G以上的硬盤支持CHS、LBA兩種尋址方式，尋址方式的選擇通過驅動器/磁頭寄存器的第6位控制。通過LBA尋址方可以實現對硬盤的每一個物理地址的訪問。
表1
3.2 Flash接口
作為便攜式產品的設計，功耗問題是一個要重點解決的問題。作業存儲介質的硬盤，其工作電壓為5V，最大功耗可達20W，硬盤工作時間的長短對系統功耗將產生直接的影響。由于硬盤提供了STANDBY、IDLE、SLEEP等幾種低功耗運行模式，因此在系統設計過程中，考慮使用一片Flash存儲器作業緩存，即首先將存儲硬盤中的一部分音頻壓縮文件送入Flash中存儲（文件數目由Flash的容量決定），然后控制硬盤進入SLEEP低功耗模式。存儲在Flash中的數據進入解碼芯片中進行解碼。待Flash中所有音頻文件播放完，則喚醒硬盤重新進入正常的工作模式，啟動下一次的數據緩存任務。
圖3 解碼+D/A接口
系統中采用Sumsung公司生產的KM29U128T Flash存儲器作為緩存。KM29U128T是16M×8位NAND Flash存儲器。該芯片支持塊擦除、頁讀、頁寫的功能。它的尋址采用串行方式，即8根數據線既作地址線也作數據線。先輸入地址，再傳送數據�？刂频刂�、命令鎖存口和讀寫允許口實現對Flash的讀寫。
3.3 解碼和D/A接口
壓縮音頻數據的解碼和D/A轉換采用Micronas Intermetall公司專為個人音頻播放器設計的MAS3507D和DAC3550A芯片組。MAS3507D是單芯片解碼器，數據的處理由內部嵌入的RISC DSP核來完成。單芯片上嵌入的還有電源管理器、程序存儲器、時鐘管理器、音頻基帶處理器以及I2S、I2C、PIO多種接口。采用集成I2S的音頻輸出方式，可方便地與DAC3550A連接。在芯片內集成了數字、音量、立體聲、聲道混合、低音、高音控制等功能。DAC3550A是與MAS3507D匹配的高質量的音頻DAC，內部集成了耳機放大器；內置時鐘振蕩器并由CLKOUT端提供給MAS3507D；具有I2S總線音頻輸入和I2C控制總線；具有低功耗模式。它把MP3播放機中D/A轉換和音頻放大兩部分集成在一起，非常適合于便攜式MP3播放機的開發。
圖3所示為MCU、MAS3507D和DAC3550A的接口示意圖。ATmega128L通過SPI串行總線與解碼器MAS3507D的I2S接口相連，實現音頻壓縮碼流的傳輸。當解碼芯片MAS3507D需要數據碼流時，通過DEMAND口向MCU發出請求信號。解壓縮后的音頻碼流通過MAS3507D的I2S的輸出端口送入DAC3550A進行D/A轉換和放大。MAS3507D和DAC3550A都具有I2C總線，Atmega128L通過I2C總線實現對MAS3507D和DAC3550A各個寄存器的讀寫控制，完成音量、音效等調節。
3.4 其它模塊接口
人機界面是便攜式系統的重要組成部分，尤其對本系統，由于硬盤可以存儲海量的歌曲，如果能夠對硬盤中的歌曲進行有效管理和搜索，無疑會大大提高系統使用的方便性和靈活性�；谠摽紤]，本系統采用了多個按鍵和1塊點陣式LCD，用于控制和顯示。LCD液晶模塊采用Solomon公司的SSD1815。SSD1815是單片CMOS LCD控制器，有串/并行兩種控制方式。本系統中采用串行控制方式。SSD1815內部有一個用于存放圖形點陣信息的存儲區，將要顯示的圖形或字符的點陣信息送入該區域即可完成顯示。由于控制的復雜性，系統需要羅多的按鍵，為了盡可能地減少I/O口的占用和降低控制復雜性，對按鍵的查詢采用I2C串行口，通過一片I2C擴展芯片PCF8574，可以實現對多個按鍵的查詢。
4 系統的軟件設計
筆記本硬盤是MP3文件的存儲介質，由于其容量較大，PC機通過USB接口對硬盤進行管理和操作時采用FAT32文件系統。文件以簇號鏈的形式在硬盤上存放，由磁盤分區信息和文件分配表的相關信息計算出文件在硬盤中的起始地址，通過硬盤數據口將該地址的數據讀出來。連續的讀操作將實現一個文件的讀取。
在該系統中，MCU需要完成數據從硬盤到Flash緩沖區的拷貝、送Flash中的壓縮音頻數據流給解碼器解碼、按鍵的監測、根據按鍵的控制對歌曲播放模式和歌曲相關信息的顯示等幾個主要任務�？紤]到Flash的讀寫速度較慢，為保證歌曲的連續播放，在SRAM中劃分2×512字節的區域作為二級緩存，用于暫存從Flash傳送過來的音頻數據。根據解碼器的反饋需求信號，從該緩沖區中取數送給解碼器進行解碼。歌曲的播放具有實時性的要求，即如果解碼芯片的DEMAND信號為高，MCU必須停止目前正在執行的任務來響應發送碼流的任務。為保證數據碼流的不間斷，在系統軟件設計中，將硬盤→Flash、Flash→RAM的數據緩沖任務以及給解碼芯片發送碼流的任務用中斷來實現。系統的軟件設計流程如圖4所示。由于給解碼器發送碼流的任務實時性要求最高，故單獨用一中斷實現該任務，且設置該中斷的優先級最高。硬盤→Flash、Flash→RAM的數據緩沖任務作為另一中斷的中斷服務程序；而按鍵檢測、液晶顯示和電源管理作為前臺的三個任務，MCU輪流分配給各個任務使用。這樣的設計既能滿足歌曲播放的實時性要求，又能對按鍵檢測、顯示等其它任務作出響應。模塊化設計和分時操作系統思想在軟件設計中得到了充分的體現。
結語
本文討論了基于ATmega128L的大容量MP3播放機的設計思路，對系統中的各個模塊接口作了簡要的描述，并提出了系統軟件設計的總體思想。以上軟硬件設計思想已經實現產品化。該產品功耗低、功能強，性能穩定可靠，具有友好的用戶界面和操作性。
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