基于ATmega128L的大容量MP3播放机

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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。
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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。
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    *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 

DA0	DA1	DA2	扇区读操作	扇区写操作	位 数
0	0	0	数据寄存器	数据寄存器	16
0	0	1	出错状态寄存器	写预补偿寄存器	8
0	1	0	扇计数器	扇区计数器	8
0	1	1	扇区号寄存器或LBA的A7～A0	扇区号寄存器或LBA的AD7～AD0	8
1	0	0	柱面号寄存器（高字节）或LBA的A15～A8	柱面号寄存器（高字节）或LBA的A15～A8	8
1	0	1	柱面号寄存器（高字节）或LBA的A23～A16	柱面号寄存器（高字节）或LBA的A23～A16	8
1	1	0	驱动器或磁头寄存器	驱动器或磁头寄存器	8
1	1	1	（LBA的A27～A24）状态寄存器	（LBA的A27～A24）命令寄存器	8

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

   

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