福華先進微電子公司:基于MCU和音頻解碼器設(shè)計磁帶式MP3播放器

        隨著數(shù)字化技術(shù)在音頻的編輯、合成、效果處理、存儲、傳輸?shù)确矫娴牟粩噙M步，數(shù)字化的音頻產(chǎn)品已經(jīng)成為市場主流，傳統(tǒng)的純模擬的音頻產(chǎn)品幾乎退出了市場。例如CD播放器、MP3" target="_blank">MP3播放器等產(chǎn)品以更為優(yōu)良的音質(zhì)、更加方便的存儲和傳輸?shù)忍攸c逐漸地取代了傳統(tǒng)的以磁帶式錄音磁帶為媒介的音樂播放設(shè)備。但是，在某些領(lǐng)域特別是低配置的汽車上，以錄音磁帶為媒介的音響播放系統(tǒng)仍然大量存在，如果把這些播放設(shè)備進行數(shù)字化改造，則需要較高的成本。本文將系統(tǒng)介紹福華先進微電子公司提供的經(jīng)濟型解決方案——磁帶式（外型）MP3播放器mTape。

　　mTape是新一代創(chuàng)新的便攜式音樂播放器。它具有磁帶式的外殼（見圖1），并可像磁帶一樣放入卡式磁帶機中，但播放的是音質(zhì)更為優(yōu)美的MP3音樂。由于其帶有靈活簡潔的操作界面，在脫離卡式磁帶機時，還可以作為一個通用的便攜式MP3播放器。它支持SD/MMC卡即插即用，用戶可自由擴展存儲空間；高速USB2.0接口既可以傳輸數(shù)據(jù)又可以對內(nèi)置的鋰電池進行充電，充分體現(xiàn)出它簡潔方便的特點。

　　硬件系統(tǒng)的主要器件

　　mTape的構(gòu)成主要基于福華先進微電子公司的微控制器FS7821和音頻解碼器FS2401，圖2為mTape硬件系統(tǒng)框圖。該框圖包括兩部分：虛框內(nèi)為數(shù)據(jù)的傳輸處理；虛框外為供電和充電部分。

　　FS7821是一個基于RISC架構(gòu)的8051內(nèi)核的媒體控制器，它具有兼容性良好的高速USB2.0接口和多種媒體接口控制器，例如NAND FLASH存儲器、Smart Media (SM)、CompactFlash (CF)、Micro Drive、Secure Digital (SD)、 Multi Media Card (MMC)、 Memory Stick (MS)、Memory Stick-Pro (MS-pro)、 xD Picture (xD)等控制器。從PC經(jīng)USB2.0傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無需CPU處理，通過DMA直接傳送到媒體介質(zhì)，大大提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

　　FS7821內(nèi)部指令100％兼容較為流行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051，所以在軟件上和標(biāo)準(zhǔn)8051是完全兼容的，為軟件設(shè)計帶來極大的方便。由于它采用的是流水線RISC架構(gòu)8051MPU內(nèi)核，其指令處理速度比標(biāo)準(zhǔn)8051處理速度快很多。而且，它還采用了先進的數(shù)據(jù)傳輸算法，優(yōu)化了總線架構(gòu)。這些新的設(shè)計方法使得無需增加控制器或者媒體器件成本就可以使數(shù)據(jù)傳輸和存儲速度大大地提高。除此之外，F(xiàn)S7821為各種存儲卡的外圍器件控制和擴展提供了32個GPIO引腳，也使得FS7821特別適合設(shè)計FLASH MP3、讀卡器等相關(guān)產(chǎn)品。

　　FS2401是一個單片MP3音頻解碼芯片，片內(nèi)集成了高性能低功耗的DSP處理器內(nèi)核、高質(zhì)量的可變率采樣立體聲DAC、音頻功率放大器、串行數(shù)據(jù)輸入接口SPI，以及控制信號I/O和通用I/O。FS2401作為一個從屬器件偵聽通過SPI接口傳來的比特流數(shù)據(jù)。比特流數(shù)據(jù)被解碼后，經(jīng)過數(shù)字音量控制傳到過采樣multi-bit, sigma-delta DAC，整個解碼過程只通過SPI接口進行控制。除了基本的解碼之外，還可以通過其內(nèi)部的用戶RAM區(qū)加入特殊的音樂效果。

　　硬件部分的5種主要功能

　　MP3播放器功能：FS7821利用4個GPIO和音頻解碼器FS2401的SPI接口相連，可以對FS2401進行初始化和實時控制，并能從SD卡或者MMC卡自動讀取MP3文件，然后傳到FS2401進行解碼，產(chǎn)生的兩路立體聲模擬信號送到耳機插孔和磁頭。
讀卡器功能：由于FS7821通過內(nèi)部集成了高速的USB2.0接口、DMA和多媒體接口，很容易實現(xiàn)PC機和mTape的SD/MMC卡之間任何格式的文件高速傳輸和存儲。

　　卡式磁帶機播放功能：mTape和通用盒式磁帶一樣可以放入卡式磁帶機中進行同步播放、快進、快退、暫停等所有功能。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這些操作，完全在于它能夠測定卡式磁帶機導(dǎo)帶輪的轉(zhuǎn)動速度的快慢及方向。在mTape中有兩小一大三個互相咬合的齒輪，其中一個小齒輪可以隨卡式磁帶機中的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，就可以通過大齒輪帶動另一小齒輪向同樣方向轉(zhuǎn)動。在大齒輪正上方的PCB板上安裝有兩個反射式光耦, 以大齒輪中心為交點兩光耦的軸心線夾角為45。，當(dāng)大齒輪的白色部分位于反射式光耦下部時，由反射式光耦組成的電路會產(chǎn)生低電平；反之，當(dāng)大齒輪的黑色部分位于反射式光耦下部時，由反射式光耦組成的電路會產(chǎn)生高電平。這樣，當(dāng)大齒輪勻速轉(zhuǎn)動時，兩個反射式光耦組成的電路就會產(chǎn)生A、B兩路方波。其中A路方波送入FS7821的通用GPIO，B路信號送到FS7821的外部中斷0引腳。A、B兩路方波相位總差90。。當(dāng)B方波下降沿觸犯外部中斷0后，如果判斷A方波電平為高，就為向前轉(zhuǎn)；如果A方波為低電平，就為向后轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動速度可以通過計算單位時間內(nèi)波形的數(shù)據(jù)進行判斷。

        USB充電：由于mTape內(nèi)置一塊大容量的鋰電池，采用一枚高效率的鋰電池充電芯片將來自USB口的＋5V電源通過變?yōu)楹銐?.2V對鋰電池進行充電。

　　自動上電/斷電功能：當(dāng)mTape插入卡式磁帶機并按下PLAY按鈕時，mTape上的磁頭會被磁帶機的磁頭下壓，mTape磁頭的托架下的小棒就會插入位于它下面的透射式光耦的間隙中，由透射式光耦組成的電路會啟動電源管理芯片為mTape供電。FS7821上電，并檢測系統(tǒng)狀態(tài)，然后通過一個GPIO來控制電源管理芯片的狀態(tài)，保持電源的穩(wěn)定性。當(dāng)卡式磁帶機處于暫停或停止?fàn)顟B(tài)時，mTape的磁頭會彈起，磁頭托架下的小棒會從透射式光耦的間隙中抽出。光耦電路就會發(fā)出一個待機信號。如果這個信號持續(xù)時間超過5分鐘，F(xiàn)S7821就會關(guān)閉電源，為mTape斷電。
                           
　　軟件架構(gòu)

　　從軟件上來說，mTape主要有兩個功能，一個是音樂播放功能（包括便攜式MP3模式和卡式磁帶機播放模式），另一個是讀卡器功能。人－機界面管理（MMI management）程序根據(jù)mTape的按鍵、卡帶機傳來的信號、USB連接/斷開等自由的切換這兩種功能。具體軟件架構(gòu)見圖3。

　　音樂程序流程：音樂功能部分的主要任務(wù)是FS7821從SD/MMC卡中讀取一個音頻文件然后送到解碼器FS2401進行解碼。當(dāng)所有的音樂文件播放完畢之后，mTape又返回播放第一首曲子，因此這是一個循環(huán)播放的模式。

　　讀卡器功能：讀卡器程序可以分為兩個部分：USB連接偵測部分和讀卡器實體部分。當(dāng)PC機的USB接口和mTape連接上以后，系統(tǒng)就進入USB模式，執(zhí)行讀卡器實體程序。

　　MMI部分：MMI(人－機界面)管理部分處理用戶的發(fā)出的命令。用戶可以通過mTape上的按鍵、卡式磁帶機上的按鍵以及USB線的斷開/連接對mTape發(fā)出命令。這些命令分為兩種：一種是USB命令，另一種是音樂播放命令。因為MMI沒有嚴(yán)格的實時性要求，而且程序不是十分復(fù)雜，所以在mTape中沒有必要采用實時操作系統(tǒng)。當(dāng)FS2401沒有音頻數(shù)據(jù)傳送要求時，F(xiàn)S7821就處于空閑狀態(tài)。利用這段空閑時間就足可以處理用戶發(fā)出的命令。

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