(完整版)基于单片机的MP3播放器设计毕业设计论文

基于单片机的MP3播放器设计

音频信号数字化后所面临的一个不容忽视的问题是：巨大的数据量给存储和传输带来的压力。因此音频压缩技术在广播专业领域、网络传输及多媒体应用中受到广泛关注，成为音频信号处理的关键技术之一。MPEG(Moving Picture Experts Group)运动图像专家组，在1992年底制定了第一个世界范围的Hi-Fi(High-Fidelity)质量的音频编码标准MPEG-1。MPEG-1分为三种不同的方式，称为Layer1、Layer2和Layer3。序号越高，复杂性越大，但是可提供更好的编码效率，特别是在低比特率时。MP3就是MPEG-1 Layer3，是基于感知编码的算法，目前在CD 音质的声音压缩方面，是一种通用的方法。使用MP3标准对于音频数据编码既可以获得较大的音频数据压缩比，又可以得到较好的音乐回放质量。MP3的解码器结构复杂，涉及到大量的数学计算，对处理器与内存的要求相当高。目前，AT89C51处理器以其高性价比，丰富的外设资源，越来越受到各种嵌入式研发人员的青睐[5-7]。基于以上背景，我在此次设计中提出了AT89C51SND1C微处理器的软件解码方案，在降低硬件成本的基础上保证高质量的播放效果。

1.2.2 课题研究的意义

MP3音频播放器的最合理工作速度为30Mips，而一个典型的视频媒体播放器的理想速度则为175Mips，所以提高MP3的工作速度，以及改本课题来源于生产实践

善MP3的音质是最关键的，也是亟待解决的问题。

MP3是一种典型的嵌入式设备，而现在市场上比较常见的是闪存式MP3。由于闪存式MP3的容量限制，使它存储歌曲数目较少，在功能上也很难实现多样化。而硬盘式MP3的多功能及大容量，也必将受到不少消费者的喜爱。

另外一个原因是近年来，嵌入式系统与单片机开发的有机结合，已广泛被应用于网络通信、工业控制、机顶盒、PDA等诸多领域[8]。本文提出了一种基于单片机的MP3播放器的设计方案，这就进一步的体现了该设计的灵活性。目前该设计方案已经实现，实践证明，此播放器拥有市面MP3所有的全部功能并能够很好的运行。

MP3播放器一般分成3个部分：CPU、MP3硬件解码器存储器。其中可以将前两部分集成在一起，即带MP3硬件解码器的CPU；或将后两部分集成在一起，即集成硬件解码、DA转换及音频输入。存储器可以是Flash 存储器或硬盘。通过用MP3编码技术，可以得到大约12：1压缩的有损音乐信号。尽管MP3音乐是有损的，它在压缩过程中对功率谱较弱的信号有所丢失，但它同CD原声区别不大，不影响一般音乐爱好者对音乐的欣赏。MP3大大缩小了声音文件的长度，使音乐的存储和传输更方便。

2 MP3的编解码过程

2.1 MP3的工作原理

一个完整MP3播放器要分几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DA和功放、显示界面和控制键、其中中央处理器和解码器是整个系统地核心。这里的中央处理器我们通常成为MCU （单片微处理器），简称单片机。它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware（或者固件程序）。控制MP3的各个部件的工作：从存储设备读

取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作；显示系统运行状态等任务。解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码（有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成）。它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号[10]。

存储设备是MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASH MEMORY）或者硬盘（HDD）作为储存设备的[11]。它通过接收储存主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3亦不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种[12]。播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统支持的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。

主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储协议规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。这里需要遵循几个规范：USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议[13-15]。

音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。这里要介绍一下数字音频信号。数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。我们知道声音的本质是波，人们能听到的声音频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。数字音频信号是对模拟信号的一种量化，典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔

做采样，对振幅做量化。单位时间内的采样次数称为采样频率。这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。这是ADC（模拟—数字转换）过程，DAC（数字—模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率转换成对应的电压。MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。

2.2 MP3播放器编码过程

2.2.1 编码分析

一、音频信号数字化

信号的数字化就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，一般需要完成采样、量化和编码三个步骤，如图2-1所示。采样是指用每隔一定时间间隔的信号样本值序列来代替原来的时间上连续的信号；量化是用有限个幅度近似表示原来的时间上连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量、有一定时间间隔的离散值；编码则是按照一定的规律，把量化后的离散值用二进制数码表示。上述数字化的过程又称为脉冲编码调制，通常由AD转换器来实现。

图2-1音频信号数字化

数字音频信号经过处理、记录或传输后，当需要重现声音时，还必须还原为连续变化的模拟信号。将数字信号转换成模拟信号为DA转换。

数字音频的质量取决于采样频率和量化位数。采样频率越高，量化位数越多，数字化后的音频质量越高。

二、音频采样

采样就是从一个时间上连续变化的模拟信号取出若干个有代表性的