摘要： 介绍atmel公司生产的atmega128l 单片机 的特点；提出一种以硬盘为存储介质的MP3播放机的设计方案；给出硬件设计结构和软件设计思路。
关键词： atmega128l mp3播放机 解码器LCD
引言
以flash为存储介质的mp34播放器，由于其体积小、携带方便、价位合理及其时尚的外围观设计，受到很多人的青睐。但flash的价位由于受其制造工艺的制约一直居高不下，从而使mp3播放器的容量仅限于32m、64m、128m等几个档次。本文旨在提出一种以笔记本硬盘为存储介质的mp3播放机的设计方案。该款播放机既具有移动硬盘的功能，又可作为mp3播放机使用。
1 系统结构
在该系统的设计中，采用atmel公司生产的atmega128l作为主控mcu。整个系统的结构框图如1所示。pc机通过usb接口实现对硬盘的管理和对mp3歌曲、文档等数据信息的存储。系统启动后，首先将硬盘上的一部分mp3歌曲送入flash中存储，由mcu控制将储存于flash中歌曲的码流信息送入mp3解码芯片中解码，并产生解码输出。在系统的DAC模块把解码输出转换为模拟音频声音后，经一级音频放大并驱动耳机，实现mp3歌曲的播放功能。在按键的控制下，通过lcd中菜单选项的选择，实现对歌曲播放模式、声音音效、液晶对比度的调度以及歌曲选择等功能；在播放的同时，lcd上显示的信息除滚动的歌曲名称、演唱者、码流率等id3信息外，还包括系统供电电池的电量及歌曲播放模式等图标。
系统包括主控mcu、硬盘、flash缓存、按键、lcd、解码器和D/A转换器等几部分。
2 atmega128l的主要特点
atmega128l内核为avr，具有以下特点：
*先进的risc架构，内部具有133条功能强大的指令系统，而且大部分指令是单周期；32个8位通用工作寄存器 外围接口控制寄存器。
*内部有128kb在线可重复编程flash、4kbeeprom和4kb sram。
*有53个i/o引脚，每个i/o口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使功能口和i/o口可以复用，大大增强了端口功能和灵活性，提高了对外围的开发能力。
*内部有2个8位定时器/计数器和2个具有比较/捕捉寄存器的16位定时器/计数器；1个具有独立振荡器的实时计数器；1个可编程看门狗定时器；2通道8位PWM通道；8路10位A/D转换器；双向i2c串行总线接口；主/从spi串行接口；可编程串行通信接口；片内精确的模拟比较器等。
*功耗低。cpu可工作在idle、powersave、powerdown、standyby等几种省电模式下；可软件编程选择时钟频率。atmega128l的软件结构也是针对低功耗而设计的，具有内外多种中断模式。丰富的中断能力减少了系统设计中查询的需要，可以方便地设计出中断程序结构的控制程序、上电复位和可编程的低电压检测。
*带JTAG接口。通过该口利用jtag仿真器，可以很方便地实现程序的在线调试和仿真，编译调试正确的代码，通过jtag口直接写入atmega128的flash代码区中。另外，支持bootloader功能，即mcu上电后，首先通过驻留在flash中的bootloader程序，将存储在外部媒介中的应用程序搬移到atmega128l的flash代码区。搬移成功后自动去执行代码，完成自启动。这对于产品化后程序的升级和维护提供了极大的方便。
*电源电压为2.7～5.5v
3 系统硬件设计中的各个接口模块
3.1 mcu与硬盘的接口设计
系统设计中选择2.5英寸的笔记本硬盘作为存储介质。笔记本硬盘接口是标准并行ide接口。mcu与硬盘的接口电路如图2所示。atmega128l的pa、pc口与硬盘的16根数据线相连。ide接口是基于寄存器结构的，所有对硬盘的控制操作均通过对相应寄存器操作来实现。ide接口的硬盘驱动器有16个寄存器，分为2段，每段有8个寄存器，两段寄存器的选择由cs0、cs1来确定，通过da0、da1、da2来选通每个段的8个寄存器。寄存器如表1所列。ide接口有两种传输模式：pio模式和DMA模式。在本系统的设计中，采用pio传输模式。pio传输模式由处理器负责信息的传输，硬盘以扇区为单位与处理器进行数据交换；在进行扇区读写时，一次通过端口的数据为16位。8g以上的硬盘支持chs、lba两种寻址方式，寻址方式的选择通过驱动器/磁头寄存器的第6位控制。通过lba寻址方可以实现对硬盘的每一个物理地址的访问。
表1
3.2 flash接口
作为便携式产品的设计，功耗问题是一个要重点解决的问题。作业存储介质的硬盘，其工作电压为5v，最大功耗可达20w，硬盘工作时间的长短对系统功耗将产生直接的影响。由于硬盘提供了standby、idle、sleep等几种低功耗运行模式，因此在系统设计过程中，考虑使用一片flash存储器作业缓存，即首先将存储硬盘中的一部分音频压缩文件送入flash中存储（文件数目由flash的容量决定），然后控制硬盘进入sleep低功耗模式。存储在flash中的数据进入解码芯片中进行解码。待flash中所有音频文件播放完，则唤醒硬盘重新进入正常的工作模式，启动下一次的数据缓存任务。
图3 解码 D/A接口
系统中采用sumsung公司生产的km29u128t flash存储器作为缓存。km29u128t是16m×8位nand flash存储器。该芯片支持块擦除、页读、页写的功能。它的寻址采用串行方式，即8根数据线既作地址线也作数据线。先输入地址，再传送数据。控制地址、命令锁存口和读写允许口实现对flash的读写。
3.3 解码和d/a接口
压缩音频数据的解码和d/a转换采用mICronas intermetall公司专为个人音频播放器设计的mas3507d和dac3550a芯片组。mas3507d是单芯片解码器，数据的处理由内部嵌入的risc DSP核来完成。单芯片上嵌入的还有电源管理器、程序存储器、时钟管理器、音频基带处理器以及i2s、i2c、pio多种接口。采用集成i2s的音频输出方式，可方便地与dac3550a连接。在芯片内集成了数字、音量、立体声、声道混合、低音、高音控制等功能。dac3550a是与mas3507d匹配的高质量的音频dac，内部集成了耳机放大器 ；内置时钟振荡器并由clkout端提供给mas3507d；具有i2s总线音频输入和i2c控制总线；具有低功耗模式。它把mp3播放机中d/a转换和音频放大两部分集成在一起，非常适合于便携式mp3播放机的开发。
图3所示为mcu、mas3507d和dac3550a的接口示意图。atmega128l通过spi串行总线与解码器mas3507d的i2s接口相连，实现音频压缩码流的传输。当解码芯片mas3507d需要数据码流时，通过demand口向mcu发出请求信号。解压缩后的音频码流通过mas3507d的i2s的输出端口送入dac3550a进行d/a转换和放大。mas3507d和dac3550a都具有i2c总线，atmega128l通过i2c总线实现对mas3507d和dac3550a各个寄存器的读写控制，完成音量、音效等调节。
3.4 其它模块接口
人机界面是便携式系统的重要组成部分，尤其对本系统，由于硬盘可以存储海量的歌曲，如果能够对硬盘中的歌曲进行有效管理和搜索，无疑会大大提高系统使用的方便性和灵活性。基于该考虑，本系统采用了多个按键和1块点阵式lcd，用于控制和显示。lcd液晶模块采用solomon公司的ssd1815。ssd1815是单片CMOS lcd控制器，有串/并行两种控制方式。本系统中采用串行控制方式。ssd1815内部有一个用于存放图形点阵信息的存储区，将要显示的图形或字符的点阵信息送入该区域即可完成显示。由于控制的复杂性，系统需要罗多的按键，为了尽可能地减少i/o口的占用和降低控制复杂性，对按键的查询采用i2c串行口，通过一片i2c扩展芯片pcf8574，可以实现对多个按键的查询。
4 系统的软件设计
本文关键字：播放机 AVR单片机，单片机-工控设备 - AVR单片机
