来源：电子设计应用 作者：李国峰 董海坤 张勇 邵巍 高平 高丕涛

    摘 要：本文使用at89c51snd1作为主控制器和mp3***，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***芯片。它内置mp3硬件***，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***，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***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***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***初始化

    mp3***的初始化需要对mp3con和mp3clk进行设置。mp3***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***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***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***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***缺少数据时使用。由于mp3***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

    启动mp3***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***的数据缓存中送满1kb的数据，之后待mp3***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***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***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