单片机的U盘音频播放器
随着计算机技术的快速发展，MP3播放器的不断发展，USB存储设备应用领域的不断扩大，传统的MP3播放器存在容量固定等缺点逐渐不能满足人们的需求。
本课题设计基于U盘的音频播放器。以STC12C5A60S2单片机为主控制器，CH375为USB总线接口芯片，VS1003为音频解码芯片，以U盘作为媒体存储介质，实现对U盘音频的读取和播放。本设计解决了传统MP3设计存储容量固定，车载音频播放器不方便移动等缺点。设计通过单片机与USB接口芯片以及音频解码芯片的连接实现设计功能。设计主要包括单片机最小系统，USB接口芯片CH375的应用以及音频解码芯片VS1003B的使用与各功能模块的互联。本设计具有五按键操作界面，实现歌曲功能切换，支持MP3、WMA等音频格式的解码播放，支持FAT32文件系统和大容量U盘。设计中USB接口芯片CH375工作在HOST USB方式下，通过USB接口完成对U盘的识别和U盘中MP3文件的读取。MP3的解码和音频的放大处理器则采用VS1003B，它内置DSP处理器，可以通过设置寄存器来调节相应声音频率幅度，产生的高低音和重低音。经过软硬件的方案测试，本设计可以实现大容量U盘中MP3文件的顺畅播放，实现了MP3播放器播放单元与存储单元的分离，将U盘便捷的改造成为MP3播放器，使MP3播放器摆脱了存储容量的限制，使用起来更加方便灵活。HM000069
关键词：U盘；USB接口；CH375；音频解码；VS1003B
1.1课题背景
传统MP3播放器、车载播放器有存储容量有限、体积大等缺点。基于单片机的U盘音频播放器的产生对于解决MP3播放器和车载播放器的缺点起了很大作用，给未来播放器的发展指出了一个新的方向。
随着现代存储技术的飞速发展，便携的数字存储设备已经成为主流；同时廉价、高品质、低存储空间的MP3格式音乐大量出现，再加上MP3格式文件容易传播，MP3必将取代磁带和CD而成为新世纪的主流音乐格式，而MP3格式音乐对汽车来说更是一个最完美的音乐格式。MP3汽车音响的时代已经来临了，汽车音响业也纷纷推出具备MP3播放功能的汽车音响主机，取代原来CD、磁带等在汽车的生存空间。MP3音频播放器的播放器与存储器一体化的设计向大容量、高音质、小巧便携不断发展，但与此同时也出现了一些新的问题，比如存储容量固定，想要装下更多的歌曲只有去购买更多的产品，这样就造成了巨大浪费；一体化也限制了MP3播放器在其他领域的发展，比如车载MP3等不方便移动的播放器难以应用。所以将存储器与播放器分离成为一个发展方向。
基于单片机的U盘音频播放器正是针对上述问题诞生的产品，它实现了基于USB接口MP3播放器播放部分与存储部分(U盘)的分离，存储容量的可以改变，还保留了MP3便于携带的特点，完善了MP3播放功能的汽车音响主机在USB方向的空白，解决了CD、磁带体积大和MP3存储容量固定等缺点。本设计使用一个主USB接口，插上U盘即可播放U盘里的MP3文件，可广泛应用于家用音响、公共广播系统、车载CD、恶劣环境等需要播放音乐的场合。
1.2设计采用技术
1.2.1USB接口技术 查看完整请+Q:351916072获取
USB采用四根电缆，两根为电源线，为设备供电，两根为数据传输的串行通道，对于高速且需要高带宽的外设，其以全速12Mbps速率传输数据，对于低速外设，其以1.5Mbps速率传输数据。USB总线会根据外设情况自动于两种状态中切换。
USB软件结构包括USB总线接口、USB系统、USB客户软件3个层。USB总线接口用于处理电气层与协议层的互连，USB系统用于主控制器与设备间的数据传输，USB客户软件层是软件结构的最高层，负责处理特定的USB设备驱动器。其功能为检测USB设备的连接与移除，管理主机与USB设备之间的数据流，连接USB的状态与统计活动。
主机与USB设备间数据流的数据传输由主控制器负责。这些传输数据作为连续的bit流。每个设备提供了一个或多个接口与客户程序通信，每个接口由0个或多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。
USB支持控制传输、等时传输、中断传输及数据块传输四种基本的数据传输模式。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。
控制传输类型支持外设与主机之间的控制状态、配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令状态信息。
等时传输类型支持有周期性、有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机－电话集成系统（CTI）和音频系统与主机的数据传输。
中断传输类型支持像游戏手柄、鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。
数据块（Bulk)传输类型支持打印机、数码相机、扫描仪等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才能进行该类型的数据传输。USB采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分配或潜在的要求，则不能进入该设备。同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送。集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输数据。
1.2.2音频解码技术
音频解码围绕处理硬件的模数转换器ADC和数模转换器DAC构成。纯音频解码的主要作用是把读取的数字音频信息转换成模拟音频信号输出，供功率放大重放。因此严格说纯音频解码应称作D/A（数字/模拟）转换。
MPGE是国际标准化组织下的运动专家组，制定了MPGE-1、MPGE-2、MPGE-4的标准。MPGE-1压缩标准为VCD所采纳，MPGE-2压缩标准为DVD所采纳，MPGE-4为交互式多媒体通讯所采纳。
其中MPEG-1音频定义了3个分明的层次，它们的基本模型是相同的。层1是最为基础的，层2和层3都在层1的基础上有所提高。每个后继的层次都有更高的压缩比，但也因此需要更加复杂的解码器。我们平时说的MP3解码就是说MPEG-1音频解码标准的第三层。
MPEG-1声音标准所提供的三个独立的压缩层次具体如下：
层1：编码器最简单，编码的输出数据率为384kb/s，主要用于小型数字盒式磁带；
层2：编码器的复杂程度较高，编码输出数据率为256kb/s到192kb/s，广泛应用于CD、VCD等；
层3：编码器最为复杂，编码器的输出数据率为64kb/s，即为现今非常流行的MP3。MP3是个人音频领域中最普遍的音频编码解码器，全称为动态影像专家压缩标准音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III），是当今最流行的一种数字音频编码和有损压缩格式，它的设计大幅度地降低音频数据量，而对于大多数用户来说重放的音质与最初的不压缩音频相比没有明显的下降。
MP3的数据是以帧流的形式存储或传输的，每个帧由帧头和帧数据组成。媒体每一帧包含的比特数可以是不定的，但是能从帧头信息中的数据计算得到媒体。公式为：帧内比特数=（帧内采样数x位率）/采样率。对于MP3，帧内的数据包含2x576个时域采样值，采样率有44.1kHz、48kHz、32kHz3种，位率是从32kbps到320kbps。 查看完整请+Q:351916072获取
帧头(header)包括头信息(4个字节)，CRC校验数据(可选，2个字节)，帧边信息(也可称为附加信息。单声道为17个字节，双声道为32个字节)。其中头信息中包含了MP3帧流的特征信息，有4个字节，32位。具体为：同步字(OXFFF)、标识符、层、CRC校验位、使能位串指数、采样频率、填充位、私有标志、模式、模式扩展位、版权、原始流/复制流和增强方式。帧边信息包含了解码所需的一切信息，如主数据开始指针、主数据位数、与Huffman解码相关的信息、与逆量化相关的信息等。
帧数据(main_data)包括两个粒度组的数据，这两个粒度的数据几乎是相互独立的。每个粒度有576个时域的采样值。每个粒度的数据又包含了每个声道的数据(分单声道和双声道)，而每个声道数据中具体包含了MP3解码所需要的比例因子和Huffman编码的数据。
用于解码的帧的主数据的起始位置并不一定在该帧边信息后，而是根据帧边信息中主数据开始的值来步扩展和完善。采样频率的选择性更高，更接近CD音质；并且采用了解析度更高的滤波器组，达到很高的压缩率，可大幅度降低传输时间及介绍存储空间，适合新一代音乐产品决定主数据起始位置的前移字节数[1]。
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 设计采用技术 1
1.2.1 USB接口技术 1
1.2.2 音频解码技术 2
1.3 设计功能和特点 4
1.3.1 设计功能 4
1.3.2 设计特点 4
第2章 总体方案设计 5
2.1 总体方案设计 5
2.2 主要硬件模块的方案选择 6
2.2.1 单片机的选择 6
2.2.2 USB接口芯片的选择 7
2.2.3 音频解码芯片的选择 8
第3章 系统硬件设计 9
3.1 主控制模块设计 9
3.1.1 模块功能 9
3.1.2 STC12C5A60S2简介 9
3.1.3 主控制模块电路设计 11
3.2 USB接口模块设计 12
3.2.1 模块功能 12
3.2.2 CH375简介 12
3.2.3 USB接口电路设计 13
3.2.4 USB接口芯片与主控制模块的连接 14
3.3 音频解码模块设计 15
3.3.1 模块功能 15
3.3.2 VS1003B简介 16
3.3.3 音频解码电路设计 17
3.3.4 解码芯片VS1003B与主控制模块的连接 17
3.4 其它外围电路 18
3.4.1 按键模块 18
3.4.2 电源模块 19
第4章 系统软件设计 20
4.1 主程序模块 20
4.1.1 主程序流程图 20
4.1.2 软件的实现 21
4.1.3 主程序的实现 23
4.1.4 程序编写与调试说明 24
4.2 USB子程序模块 24
4.2.1 USB子程序流程图 25
4.3 按键子程序模块 26
4.4 串口子程序模块 26
第5章 方案的测试与分析 28
5.1 VS1003模块调试 28
5.1.1 VS1003初始化 28
5.1.2 VS1003命令写寄存器 28
5.1.3 VS1003数据写寄存器 29
5.1.4 音频解码调试注意事项 29
5.2 CH375模块调试 29
5.2.1 USB接口模块调试方法 29
5.2.2 CH375主机USB-HOST的电路设计注意事项 30
5.3 制PCB板注意事项 31
第6章 结 论 32
参考文献 33
致 谢 34
附 录 35
一、 原理图 35
二、 实物图 38 查看完整请+Q:351916072获取
本课题设计基于U盘的音频播放器。以STC12C5A60S2单片机为主控制器，CH375为USB总线接口芯片，VS1003为音频解码芯片，以U盘作为媒体存储介质，实现对U盘音频的读取和播放。本设计解决了传统MP3设计存储容量固定，车载音频播放器不方便移动等缺点。设计通过单片机与USB接口芯片以及音频解码芯片的连接实现设计功能。设计主要包括单片机最小系统，USB接口芯片CH375的应用以及音频解码芯片VS1003B的使用与各功能模块的互联。本设计具有五按键操作界面，实现歌曲功能切换，支持MP3、WMA等音频格式的解码播放，支持FAT32文件系统和大容量U盘。设计中USB接口芯片CH375工作在HOST USB方式下，通过USB接口完成对U盘的识别和U盘中MP3文件的读取。MP3的解码和音频的放大处理器则采用VS1003B，它内置DSP处理器，可以通过设置寄存器来调节相应声音频率幅度，产生的高低音和重低音。经过软硬件的方案测试，本设计可以实现大容量U盘中MP3文件的顺畅播放，实现了MP3播放器播放单元与存储单元的分离，将U盘便捷的改造成为MP3播放器，使MP3播放器摆脱了存储容量的限制，使用起来更加方便灵活。HM000069
关键词：U盘；USB接口；CH375；音频解码；VS1003B
1.1课题背景
传统MP3播放器、车载播放器有存储容量有限、体积大等缺点。基于单片机的U盘音频播放器的产生对于解决MP3播放器和车载播放器的缺点起了很大作用，给未来播放器的发展指出了一个新的方向。
随着现代存储技术的飞速发展，便携的数字存储设备已经成为主流；同时廉价、高品质、低存储空间的MP3格式音乐大量出现，再加上MP3格式文件容易传播，MP3必将取代磁带和CD而成为新世纪的主流音乐格式，而MP3格式音乐对汽车来说更是一个最完美的音乐格式。MP3汽车音响的时代已经来临了，汽车音响业也纷纷推出具备MP3播放功能的汽车音响主机，取代原来CD、磁带等在汽车的生存空间。MP3音频播放器的播放器与存储器一体化的设计向大容量、高音质、小巧便携不断发展，但与此同时也出现了一些新的问题，比如存储容量固定，想要装下更多的歌曲只有去购买更多的产品，这样就造成了巨大浪费；一体化也限制了MP3播放器在其他领域的发展，比如车载MP3等不方便移动的播放器难以应用。所以将存储器与播放器分离成为一个发展方向。
基于单片机的U盘音频播放器正是针对上述问题诞生的产品，它实现了基于USB接口MP3播放器播放部分与存储部分(U盘)的分离，存储容量的可以改变，还保留了MP3便于携带的特点，完善了MP3播放功能的汽车音响主机在USB方向的空白，解决了CD、磁带体积大和MP3存储容量固定等缺点。本设计使用一个主USB接口，插上U盘即可播放U盘里的MP3文件，可广泛应用于家用音响、公共广播系统、车载CD、恶劣环境等需要播放音乐的场合。
1.2设计采用技术
1.2.1USB接口技术 查看完整请+Q:351916072获取
USB采用四根电缆，两根为电源线，为设备供电，两根为数据传输的串行通道，对于高速且需要高带宽的外设，其以全速12Mbps速率传输数据，对于低速外设，其以1.5Mbps速率传输数据。USB总线会根据外设情况自动于两种状态中切换。
USB软件结构包括USB总线接口、USB系统、USB客户软件3个层。USB总线接口用于处理电气层与协议层的互连，USB系统用于主控制器与设备间的数据传输，USB客户软件层是软件结构的最高层，负责处理特定的USB设备驱动器。其功能为检测USB设备的连接与移除，管理主机与USB设备之间的数据流，连接USB的状态与统计活动。
主机与USB设备间数据流的数据传输由主控制器负责。这些传输数据作为连续的bit流。每个设备提供了一个或多个接口与客户程序通信，每个接口由0个或多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。
USB支持控制传输、等时传输、中断传输及数据块传输四种基本的数据传输模式。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。
控制传输类型支持外设与主机之间的控制状态、配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令状态信息。
等时传输类型支持有周期性、有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输，支持像计算机－电话集成系统（CTI）和音频系统与主机的数据传输。
中断传输类型支持像游戏手柄、鼠标和键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但对响应时间敏感，要求马上响应。
数据块（Bulk)传输类型支持打印机、数码相机、扫描仪等外设，这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才能进行该类型的数据传输。USB采用分块带宽分配方案，若外设超过当前带宽分配或潜在的要求，则不能进入该设备。同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送。集中和控制终端按可用的最佳带宽来传输数据。
1.2.2音频解码技术
音频解码围绕处理硬件的模数转换器ADC和数模转换器DAC构成。纯音频解码的主要作用是把读取的数字音频信息转换成模拟音频信号输出，供功率放大重放。因此严格说纯音频解码应称作D/A（数字/模拟）转换。
MPGE是国际标准化组织下的运动专家组，制定了MPGE-1、MPGE-2、MPGE-4的标准。MPGE-1压缩标准为VCD所采纳，MPGE-2压缩标准为DVD所采纳，MPGE-4为交互式多媒体通讯所采纳。
其中MPEG-1音频定义了3个分明的层次，它们的基本模型是相同的。层1是最为基础的，层2和层3都在层1的基础上有所提高。每个后继的层次都有更高的压缩比，但也因此需要更加复杂的解码器。我们平时说的MP3解码就是说MPEG-1音频解码标准的第三层。
MPEG-1声音标准所提供的三个独立的压缩层次具体如下：
层1：编码器最简单，编码的输出数据率为384kb/s，主要用于小型数字盒式磁带；
层2：编码器的复杂程度较高，编码输出数据率为256kb/s到192kb/s，广泛应用于CD、VCD等；
层3：编码器最为复杂，编码器的输出数据率为64kb/s，即为现今非常流行的MP3。MP3是个人音频领域中最普遍的音频编码解码器，全称为动态影像专家压缩标准音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III），是当今最流行的一种数字音频编码和有损压缩格式，它的设计大幅度地降低音频数据量，而对于大多数用户来说重放的音质与最初的不压缩音频相比没有明显的下降。
MP3的数据是以帧流的形式存储或传输的，每个帧由帧头和帧数据组成。媒体每一帧包含的比特数可以是不定的，但是能从帧头信息中的数据计算得到媒体。公式为：帧内比特数=（帧内采样数x位率）/采样率。对于MP3，帧内的数据包含2x576个时域采样值，采样率有44.1kHz、48kHz、32kHz3种，位率是从32kbps到320kbps。 查看完整请+Q:351916072获取
帧头(header)包括头信息(4个字节)，CRC校验数据(可选，2个字节)，帧边信息(也可称为附加信息。单声道为17个字节，双声道为32个字节)。其中头信息中包含了MP3帧流的特征信息，有4个字节，32位。具体为：同步字(OXFFF)、标识符、层、CRC校验位、使能位串指数、采样频率、填充位、私有标志、模式、模式扩展位、版权、原始流/复制流和增强方式。帧边信息包含了解码所需的一切信息，如主数据开始指针、主数据位数、与Huffman解码相关的信息、与逆量化相关的信息等。
帧数据(main_data)包括两个粒度组的数据，这两个粒度的数据几乎是相互独立的。每个粒度有576个时域的采样值。每个粒度的数据又包含了每个声道的数据(分单声道和双声道)，而每个声道数据中具体包含了MP3解码所需要的比例因子和Huffman编码的数据。
用于解码的帧的主数据的起始位置并不一定在该帧边信息后，而是根据帧边信息中主数据开始的值来步扩展和完善。采样频率的选择性更高，更接近CD音质；并且采用了解析度更高的滤波器组，达到很高的压缩率，可大幅度降低传输时间及介绍存储空间，适合新一代音乐产品决定主数据起始位置的前移字节数[1]。
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 设计采用技术 1
1.2.1 USB接口技术 1
1.2.2 音频解码技术 2
1.3 设计功能和特点 4
1.3.1 设计功能 4
1.3.2 设计特点 4
第2章 总体方案设计 5
2.1 总体方案设计 5
2.2 主要硬件模块的方案选择 6
2.2.1 单片机的选择 6
2.2.2 USB接口芯片的选择 7
2.2.3 音频解码芯片的选择 8
第3章 系统硬件设计 9
3.1 主控制模块设计 9
3.1.1 模块功能 9
3.1.2 STC12C5A60S2简介 9
3.1.3 主控制模块电路设计 11
3.2 USB接口模块设计 12
3.2.1 模块功能 12
3.2.2 CH375简介 12
3.2.3 USB接口电路设计 13
3.2.4 USB接口芯片与主控制模块的连接 14
3.3 音频解码模块设计 15
3.3.1 模块功能 15
3.3.2 VS1003B简介 16
3.3.3 音频解码电路设计 17
3.3.4 解码芯片VS1003B与主控制模块的连接 17
3.4 其它外围电路 18
3.4.1 按键模块 18
3.4.2 电源模块 19
第4章 系统软件设计 20
4.1 主程序模块 20
4.1.1 主程序流程图 20
4.1.2 软件的实现 21
4.1.3 主程序的实现 23
4.1.4 程序编写与调试说明 24
4.2 USB子程序模块 24
4.2.1 USB子程序流程图 25
4.3 按键子程序模块 26
4.4 串口子程序模块 26
第5章 方案的测试与分析 28
5.1 VS1003模块调试 28
5.1.1 VS1003初始化 28
5.1.2 VS1003命令写寄存器 28
5.1.3 VS1003数据写寄存器 29
5.1.4 音频解码调试注意事项 29
5.2 CH375模块调试 29
5.2.1 USB接口模块调试方法 29
5.2.2 CH375主机USB-HOST的电路设计注意事项 30
5.3 制PCB板注意事项 31
第6章 结 论 32
参考文献 33
致 谢 34
附 录 35
一、 原理图 35
二、 实物图 38 查看完整请+Q:351916072获取
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