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MP3音乐播放器的设计文献综述

 2020-06-06 09:50:34  

1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写

2000字左右的文献综述:

文 献 综 述

一、研究背景及意义

近些年,随着科技的飞速发展与人们对生活质量的追求,电子类产品日益增大,但相应的对这些电子产品的技术要求也越来越高。[1]

世界上第一台MP3播放器#8212;#8212;MPMan F10是韩国世韩(Saehan)公司于1998年推出的。MP3 作为典型的嵌入式音频设备,凭借着超小的体积、优异的音质等特点而成为市场上流行的数字音乐播放设备之一。[2]

MP3是MPEG Audio Layer3的简称,其实就是一种音频压缩标准,它通过音频压缩,降低了音乐文件的体积。[3]MP3技术使得音乐数据压缩比率大,回放质量高。例如CD格式的音乐数据压缩成MP3格式,其大小至少可压缩12倍,音效却相差无几。[4]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。[5]

研究开发一款功能强大、界面友好、操作简单的MP3 播放器,普通用户可以通过它满足自己的视听需求,这些都使得嵌入式媒体播放器成为了一个新的研究热点。[6]

二、研究及应用现状

现在市场上普遍流行以硬核处理器为核心,利用数字信号处理器DSP来完成处理传输和解码MP3文件的任务的MP3播放器。这类播放器的工作原理是以DSP为核心,实现数据传输、设备接口控制和文件解码回放等功能。这类硬核处理器的优点是速度快,缺点是硬件配置不够灵活,用户要想获得一些功能上的提升,可以通过更新软件来实现,但是当用户需要增加某些更高级的功能时,就必须重新购买更高级也更昂贵的MP3播放器。[7]

进入21世纪,嵌入式产业飞速发展,其中消费电子产业的蓬勃发展功不可没。作为典型的嵌入式系统产品之一,MP3音频播放在嵌入式产业中得到了空前而广泛的实现和应用。[8]随着人们生活水平的不断提高以及对美好生活的渴望,对便携试听的要求也越来越高。MP3播放器近乎完美的播放效果和丰富歌曲资源、可靠性高、功耗低、无机械结构等特点,普遍受到广大音乐爱好者的欢迎。

三、系统基本组成及工作原理

MP3播放器系统的工作原理是通过USB接口把SD存储器上的MP3、WMA等格式的数字音乐文件送到单片机,接着单片机内部集成的解码芯片对发来的音乐文件进行解码,经解码后这些音乐文件成为数字信号,然后音频DAC通过D/A即数模转换将数字音频信号转换为模拟音频信号,再通过功率放大器进行音频放大,最后通过耳机输出音乐,这就是整个音乐播放器的工作过程。[9]

下图是MP3播放器系统的总体框图。

图1 系统总体框图

1、硬件电路设计

通常来说,一个完整的MP3播放器系统要分以下几个部分:中央处理器、音频解码模块、液晶显示模块、键盘控制模块、电源模块等几个部分。中央处理器通常称为MCU(单片微处理器),即我们所说的单片机。[10] 具体的硬件模块电路如下:

(1)单片机最小系统

图2 单片机最小电路

单片机最小电路,即单片机能正常工作的最简单的电路。单片机内部集成的解码芯片对音乐文件进行解码,然后送到音频转换模块。C51单片机的最小系统一般包括:电源、单片机、时钟电路和复位电路。

电源部分为整个系统提供电源;时钟电路由晶振和电容器组成,晶振的作用是在通电时产生特定频率的震荡,从而通过电路输出一个频率稳定的时钟信号,驱动单片机工作;复位电路的原理是上电时通过电阻给电容充电,使高电平变为低电平。[11]

(2)音频编解码模块

图3 MP3音频解码模块

音频解码模块功能是对单片机从SD卡里读取的数字音频数据流进行解析,并转换成模拟信号进行输出。[12]

(3)音频放大模块

图4 音频放大电路

该部分的主要芯片是音频功率放大器,构成的功放电路实现音频的功率放大,从而使人耳可以听见。

(4)液晶显示模块

图5 显示模块电路

该部分电路主要用于显示歌曲信息。

(5)音频文件存取模块

该部分的核心是SD卡,单片机读写SD卡采用的是SPI总线,SD卡通过外接SD卡专用的USB读写控制芯片以实现SD卡与上位机之间的USB通信。

2、软件设计

系统工作时,当选择进入MP3目录后,程序进入MP3播放功能,首先进行各个模块的初始化,然后打开MP3 文件不断读取音频数据,进行音频解码直到数据结尾。同时在播放过程中不断检测键盘按键,根据不同的按钮可进行歌曲的切换、音量的增减、播放模式的切换等操作。[13] 总体软件结构如下图所示:

图6 系统软件结构

软件部分按模块划分,可分为以下几个部分:SD卡读取软件,音频解码单元软件,液晶显示软件,键盘控制软件。

(1)SD卡读取文件

该部分的软件设计除了规定的通信方式和SD 卡通信外,还包含SD卡中已有的文件存储方式。由SPI总线模式,采用FAT32文件系统进行数据存储。因此,该模块分为2 个部分: 单片机与SD卡间SPI通信的实现和FAT32文件系统读写的实现。[14]下图就是SD卡初始化流程图:

图7 SD初始化流程图

SD卡初始化后,可以通过对应函数完成读写操作,在此基础上,可实现对文件的创建、删除和读写。

(2) 解码模块

音频解码芯片用SPI总线与单片机进行通信,其解码过程的实现通过单片机操作其内部相应寄存器的值来完成。单片机驱动VS1003芯片流程如下图所示:

图8 单片机驱动VS1003芯片流程图

VC1003芯片初始化后,可执行读写功能。向VS1003芯片功能寄存器读取数据时,首先将VS_XCS=0以选择芯片,再通过函数传送0x03读操作码和8位地址,时序图如图9;向VS1003芯片写入数据时,要先将VS_VCS=0选择芯片,再通过函数传送0x02写操作码和8位地址,然后传送两个字节的数据,时序图如图10。[15]

图9 读命令工作时序

图10 写命令工作时序

四、总结

通过查阅大量的文献资料,我们发现绝大多数的MP3音乐播放器设计都是以嵌入式技术为核心,搭配不同型号的单片机与音频解码芯片来完成设计。硬件设计时要考虑芯片间的兼容,各部分的元器件是否适合使用等问题。同时软件设计也不可或缺,首先要熟悉播放器的整体工作流程,了解每一环节的软件模块的功能,每个模块部分的软件编写要遵循对应的系统要求及相关协议。因此不仅要掌握一些热门单片机的电路结构和接口功能,也要能熟练地运用相关软件编写程序。

参考文献

[1] 邓娟.基于嵌入式系统的MP3播放器的软件设计及实现[D].武汉:武汉轻工大学,2014.

[2] 张超,马宏兴.基于单片机的MP3播放器 [J].科技视界,2015,(4):138~140.

[3] 李伟,张真,范文豪.文基于STM32微控制器的mp3播放器设计 [J].现代电子技术,2015,38(4):118~124.

[4] 徐阳. 基于AT89C51SND1C单片机的MP3音乐播放器设计 [J].长江大学学报(自科版),2015,12(25):34~37.

[5] 焦正才,樊文侠. 基于Qt/Embedded的MP3音乐播放器的设计与实现 [J].电子设计工程,2012,20(7):148~150.

[6] 潘浩.嵌入式MP3播放系统研究文献题名[D].杭州:北方工业大学,2008.

[7] 蔡英.嵌入式Linux下MP3播放器的研究与实现 [D].昆明:昆明理工大学,2007.

[8] 博创科技.MP3 播放器与U 盘设计[M].北京:清华大学出版社,2004.

[9] 王歧涛. 基于单片机的 MP3播放器设计 [J].电子世界,2014,(5):141~143.

[10] 景妮琴,王琳娜,徐龙刚,马会. 基于单片机的播放器的设计[J].电源技术应用,2014,(2):157~159.

[11] 凌泽明,刘桂林. 基于单片机的便携式MP3播放器设计[J].科技创新导报,2011,(4):56~57.

[12] 黄勇坚,王亚丽.智能MP3播放控制系统的设计[J].电子技术,2006,(10):36-38.

[13] Haskell, Bert. Portable Electronics Product Design and Development : For Cellular Phones, PDAs, Digital Cameras, Personal Electronics, and More[M]. New York : McGraw-Hill. 2004.

[14] Karlheinz Brandenburg. ISO/MPEG-1 audio: A generic standard for coding of high-quality digital audio [J]. AES - Journal of the Audio Engineering Society. 1994, 42(10):780-792.

[15] Sturm, Jeanne. MP3 Players [M]. Vero Beach, FL : Rourke Educational Media. 2009.

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