基于ISP1362的U盘MP3播放器设计

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摘  要：本文使用AT89C51SND1作为主控制器和MP3解码器，ISP1362作为USb主机，将U盘中的MP3文件读取出来并进行播放，实现了MP3播放器中解码单元与存储单元的分离。
关键词：AT89C51SND1C；ISP1362；U盘；MP3播放器
    播放器与存储器的一体化设计对MP3播放器的便携性起了关键性的作用，但与此同时，它又带来了很多新的问题。比如存储容量固定，如果想装下更多的歌曲只能去购买新的产品，造成了巨大的浪费。另一方面，一体化又限制了MP3播放器在其它领域的应用，比如汽车电子等。于是，将存储器与播放器分离，成为MP3的另一发展方向，也是开发这款U盘MP3播放器的意义所在。
主要芯片简介
    AT89C51SND1是ATMEL推出的基于8位C51 MCU内核的MP3解码器芯片。它内置MP3硬件解码器，支持48kHz、44.1kHz、32kHz、24kHz、22.05kHz及16kHz采样频率，具有重低音、中音、高音均衡控制和重低环绕声效果。它可以适应市场上不同DAC的可编程音频输出接口，兼容PCM和I2S格式。内置2304b RAM和64Kb Flash程序空间，方便用户增加复杂的功能。并通过内置锁相环提供MP3和音频时钟以及USb时钟。

   要想读取U盘，USb主机控制器必不可少。为了将来进一步升级系统，本文选用了功能强大的USb－OTG芯片ISP1362。ISP1362在单芯片上集成了OTG控制器、高级主机控制器和外设控制器。ISP1362的OTG控制器完全兼容USb2.0以及On-The-Go
Supplement 1. 0协议，主机和设备控制器兼容USb 2. 0协议，并支持12Mbps的全速传输和1.5Mbps的低速传输。



图1  系统框架图

系统硬件结构
    整个系统的搭建围绕AT89C51SND1进行，如图1所示。由于其内部具有硬件解码器，因此电路构成并不复杂。首先由单片机控制ISP1362，将U盘中的MP3文件读取出来，送到硬件解码器进行解码。解码之后由数字音频接口将数字信号传送至音频DAC CS4330，转换之后产生音频信号。由于DAC输出的信号功率有限，在后端又加入了运算放大器，经过放大之后的信号就可以直接输出给音箱或耳机等设备了。

    AT89C51SND1是基于51内核的单片机，因此，最小系统结构非常简单。除了传统单片机的晶振和复位电路之外，还有PLL滤波电路和USb接口电路，如图2所示。




图2  PLL滤波电路及USb接口电路

    ISP1362是16位总线结构，不能直接和8位单片机接口。因此，将单片机的P0和P2口一同作为数据总线接至ISP1362的16位总线上，将   、、分别接到单片机的P3.4、P3.7和P3.6，通过仿真读写时序控制它的数据读取等操作。

    除了这些基本的总线连接，ISP1362还需要连接一些特殊的控制引脚：
    A0：用于决定控制器处于命令状态还是数据状态：0表示数据状态，1表示命令状态；

    A1：用于决定控制器工作于主机还是设备控制模式：0表示处于主机控制(HC) 模式；1表示处于设备控制(DC) 模式。

    接至MCU的P1.5。P1.5＝0时表示处于OTG工作状态，P1.5＝1则表示处于非OTG状态。

    INT1_USb、INT2_USb分别接至MCU的INT0和INT1引脚，用以产生中断。

    ISP1362有两个USb端口，分别是OTG端口和主机端口。因为OTG端口包含了主机功能，所以系统中使用OTG端口来连接U盘。根据USb2.0协议，USb主机需要2个15k降TG端口同时又可作为设备端口使用，而设备是没有下拉电阻的。因此ISP1362提供了“软连接”机制，通过内部的寄存器来控制电阻的连接与否。所以在硬件设计时并不需要在外部加下拉电阻。而 为开漏输出，因此加入了一个10kW的上拉电阻R14_USb。如图3所示。



图3  OTG端口电路图

AT89C51SND1C及ISP1362的初始化
    在开始播放MP3文件之前，需要一系列初始化操作。这些操作是通过设置AT89C51SND1C及ISP1362内部的相关寄存器来完成的。

AT89C51SND1C的初始化
    为了正常播放MP3文件，首先要对主控制器AT89C51SND1C进行以下几方面的设置。

锁相环初始化
    MP3解码器和音频输出接口使用的都是内部锁相环提供的时钟。锁相环的初始化是通过设置PLLCON、PLLNDIV和PLLNDIV来完成的。其输出频率的计算公式为：PLLclk=OSCclk×(R+1)/(N+1)。

MP3解码器初始化
    MP3解码器的初始化需要对MP3CON和MP3CLK进行设置。MP3解码器分缺少数据中断和校验中断两类中断，在MP3CON中可以对其进行设置。简单处理可以采用查询标志位方式，避免使用中断。MP3解码器对时钟有一定的要求，MPEG I格式的MP3数据要求最低时钟为21MHz，MPEG II格式为10.5MHz。该时钟计算公式为：MP3clk＝PLLclk/(MPSD4:0＋1)。

音频输出接口初始化
    得到两个声道串行数据前需先对音频输出接口的AUDCON0和AUDCON1中的相关部分进行正确的设置。配合DAC芯片CS4330，其设置如下：输出32位数据格式(DSIZ＝1)，声道选择信号中的高电平为左声道(POL＝1)，选择256·Fs的数据速率(HLR＝0)，选择MP3解码器的输出为数据源(SRC＝0)，18位数据右对齐(JUST4:0＝14)。为了听到正常的声音，还需根据MP3的采样率设置MP3CLK来得到正确的音频输出接口的时钟，该时钟的计算公式为：AUDclk＝PLLclk/(AUCD4:0＋1)。

按键初始化
    要实现播放MP3的人机交互功能，就需要键盘的支持，AT89C51SND1C专门提供了4个中断的按键接口，当这些中断被使能后就可以简单地通过读取KbSTA得到按键的状态。按键初始化的时候只需要在KbCON开启相应接口的中断，再开启总中断的EA即可。

ISP1362的设置
    为了能正确地从U盘中读取MP3文件，首先要对USb控制芯片ISP1362进行以下几方面的设置。

数据缓冲区的划分
    ISP1362内部有4Kb的数据缓冲区，可划分为4部分以供USb的四种传输方式使用。其中同步传输为双缓冲，占用ISTL0和ISTL1，一般二者大小是一样的。中断传输占用INTL。控制传输和块传输共用ATL。分别通过HcISTLbufferSize 、HcINTLbufferSize和HcATLbufferSize 来设置ISTL、INTL和ATL的大小。

中断的设定
    这里的中断并不是指USb中的中断传输，而是传统意义上的硬件中断。如果不使用中断，则应该将其关闭，具体操作为将HcuPInterruptEnable置0，而 HcInterruptDisable中所有位都置1。

ATL 缓冲的设定
    控制传输是任何USb设备都有的数据传输类型，而在ISP1362中，它占用的是ATL缓冲区，因此对ATL 缓冲的设定是必不可少的。具体的操作是设置以下几个寄存器：HcATLPTDSkipMap、HcATLLastPTD、HcATLblkSize、HcATLPTDDoneThresholdCount和HcATLPTDDoneThresholdTimeOut。

其它相关寄存器
    ISP1362还有一些关于硬件的设置，比如端口设定以及过流保护等。除此之外，还需要确定一个帧所发送的最大数据量等信息，这些操作通过设定HcHardwareConfiguration和HcFmInterval两个寄存器完成。
读取U盘
    U盘在使用USb传输时使用的是块传输方式，操作相对比较复杂。除了最基本的USb协议之外，还需要实现许多其它相关协议，比如Mass Storage、bulk-Only、SCSI－2、UFI等。但对USb接口芯片ISP1362而言，需要完成的仅是按照协议规定进行数据的传送。

相关描述符和设置
    U盘一般使用Mass Storage协议进行通信。然而在使用Mass Storage协议通信之前，应首先关注传输协议和U盘的端点描述符。

    Mass Storage中的传输协议常用bulk_Only，然而在这种传输方式下又可分多种指令集，而U盘常用SCSI指令集。 bulk_Only的传输方式在通信时应首先读取端点描述符来获取bulk_In和bulk_Out这两个端点号，之后才能进行USb的正常通信。

FAT文件系统
    由于现在U盘的容量普遍较大，对U盘的操作往往都是按块来进行的，其大小一般均为512b。但实际U盘上的数据是以文件系统的方式来存储的，目前U盘常用的文件系统有FAT16和FAT32。而这两种文件系统在很多内容方面都是相同的，因此，在实际访问中可以对其简单的区分，然后分别进行不同的操作，就能实现对不同文件系统的U盘进行访问，提高通用性。
播放MP3文件
    播放一个MP3文件需要经过以下几个环节：解析U盘的文件系统，获取MP3文件的信息，从U盘中读取指定的MP3文件，将文件中的数据送至AT89C51SND1C内嵌的MP3解码器，解码后的数据经音频输出接口调整格式后输出两个声道的串行数据，再经过DAC芯片CS4330将数字信号转换为模拟信号，最后经集成运放MC33202将信号放大输出。

初始化相关芯片
    对主控器AT89C51SND1C和USb接口芯片ISP1362的初始化是至关重要的，除了上述一些需要初始化设置的地方，还应注意单片机和ISP1362复位要同步。另外还应对MP3解码器音量控制的相关寄存器进行初始化，默认情况下它们都是0，即处于静音状态。

获取MP3文件中的数据
    从U盘中获取MP3文件是一个相对烦琐的过程，首先应能按照USb的相关协议读取U盘上指定块的数据，之后还要根据得到的数据解析文件系统，从而得到指定MP3文件的起始块地址，然后通过查FAT表的方法得到后继的数据。并且还应将得到的数据存储在AT89C51SND1C内部开设的数据缓存中，等待MP3解码器缺少数据时使用。由于MP3解码器内部的数据缓存较小，因而就要求获取MP3文件数据的时间要尽可能的少，这就需要该部分的代码要尽量精简。

MP3解码器解码
    启动MP3解码器之前应先对读取来的MP3数据的帧头进行解析，根据解析得到的采样率设置音频输出接口的时钟。从U盘中读取的数据也应先暂存在AT89C51SND1C内部开设的数据缓存中，开始播放之前需要先通过MP3DAT向MP3解码器的数据缓存中送满1Kb的数据，之后待MP3解码器出现缺少数据的状态(MP3STA1寄存器中的MPFREQ＝1)，再将AT89C51SND1C内部数据缓存中的数据写入MP3解码器中。当数据缓存中的数据全部用完后，就应立即再次读取U盘，如此往复直到整个MP3文件都播放完毕为止。
　　
结语
    本系统很好地实现了对U盘的识别和读取，突破了传统MP3播放器中解码器与存储器一体化的限制，只需使用更大容量的U盘就可以在原有硬件基础上增加存储容量，在音响和汽车电子方面具有良好的应用前景。
参考文献
1. Atmel Corporation. Single-Chip Flash Microcontroller with MP3 Decoder and Human Interface, 2003
2. Philips Electronics. ISP1362 Single-Chip Universal Serial bus On-The-Go controller, 2004
3. USb Implementers Forum, inc. On-The-Go Supplement to the USb 2.0 specification Revision 1.0a, 2003