胡志強(qiáng)++張宏++趙瑞瑞++王洪斌

摘要：針對如何保證音頻數(shù)據(jù)流暢的問題，在音樂播放器系統(tǒng)設(shè)計中使用了一種新型接口芯片CH378.系統(tǒng)主要由微處理器（MPU） STC12C5A60S2，音頻文件存儲器U盤、SD/TF卡，音頻解碼芯片VS1003等組成，在分析U盤接口芯片的基礎(chǔ)上，采用新型接口芯片CH378實(shí)現(xiàn)對U盤，SD/TF卡直接管理，設(shè)計了CH378接口電路，介紹了CH378操作的主要過程，程序設(shè)計要點(diǎn).CH378以其具有大的數(shù)據(jù)緩存RAM，可以與MPU并行接口，支持FAT文件操作等優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計得到優(yōu)化，操作方便，避免了音頻播放中音頻數(shù)據(jù)流堵塞現(xiàn)象，音樂播放流暢.

關(guān)鍵詞：接口芯片CH378；U盤，SD/TF卡；音樂播放器

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.020

中圖分類號：TN912.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0103-05

0 引言

目前市場上很多種便攜式的音樂播放器很受歡迎，但是受到存儲容量的限制，因此出現(xiàn)了解碼器與存儲器分離的要求，以加大存儲擴(kuò)展，同時USB接口因其方便快捷的特點(diǎn)得到眾多領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用.音樂播放器也逐漸發(fā)展能夠直接識別U盤，但是有的不能識別SD卡，或者在與SD卡連接時多通過串行輸入（RXD）、串行輸出（TXD）或者SPI等方式，這些方式增加了MPU的負(fù)擔(dān)，操作也比較繁瑣，本設(shè)計采用一種新型接口芯片CH378，實(shí)現(xiàn)MPU對U盤和SD卡的操作.與之前的CH375不同，CH378支持直接與SD/TF卡的連接，所以嵌入式系統(tǒng)的MPU可以通過CH378，將U盤（USB閃存盤、USB外置硬盤）和SD/TF卡作為可移動的大容量存儲器，通過CH378操作命令，可以實(shí)現(xiàn)對U盤和SD/TF卡上的文件進(jìn)行操作，而不需要詳細(xì)了解USB通信協(xié)議，具有成本低、方便快捷、可利用性高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)設(shè)計方法

1.1 芯片CH378簡介

作為存儲器文件管理芯片，CH378支持MPU系統(tǒng)可以快速方便的對U盤、SD/TF卡中的文件進(jìn)行讀寫.CH378支持USB主機(jī)方式，內(nèi)部集成了處理海量存儲設(shè)備（Mass-Storage）的專用通訊協(xié)議的固件、FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件、USB和SD/TF卡的通信接口固件，并且支持常用的各種USB存儲設(shè)備.其良好的兼容性涵蓋了各種U盤/USB硬盤/USB閃存盤/USB讀卡器，以及各種SD卡，包括標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡和高容量HC-SD卡以及協(xié)議兼容的MMC卡和TF卡.MPU可以通過這3種通信接口中任何一種，實(shí)現(xiàn)對CH378芯片控制，對U盤或者SD卡中的文件操作，并與單片機(jī)（MPU）進(jìn)行通信.CH378芯片有兩種型號CH378L和CH378Q，分別具有128和64管腳腳，應(yīng)用框圖如圖1.其中CH378L還同時支持SPI接口、8位并口、異步串口3種通訊接口.

1.2 芯片比較選擇

CH375芯片支持DEVICE設(shè)備方式和HOST主機(jī)方式，內(nèi)部有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、主從USB接口、被動并行接口、異步串行接口、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等.雖然CH375可以很方便地與USB設(shè)備通信，但是其不能與SD卡直接連接.MPU通常是通過SPI總線與SD卡相連，在程序設(shè)計上，要具有嵌入式文件系統(tǒng)，比如ZnFAT，對SD卡上的文件操作.工作量較大，并且文件系統(tǒng)需要占用大量內(nèi)存.作為改進(jìn)的接口芯片CH376是一個通用的USB-HOST硬件接口芯片，而且內(nèi)置了Bulk-Only協(xié)議傳輸固件程序，內(nèi)置了相關(guān)的USB底層傳輸固件程序，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)管理固件程序，所以實(shí)際的單片機(jī)程序只需要發(fā)出讀寫命令即可完成對U盤和SD卡的操作，雖然CH376較CH375有了較大的進(jìn)步，但其上沒有數(shù)據(jù)緩存RAM.為了保證音頻播放中，音頻文件數(shù)據(jù)流傳輸流暢性，接口芯片的數(shù)據(jù)緩存是必要的.CH378具有20K的RAM，適合應(yīng)用在在音樂播放系統(tǒng)設(shè)計中.本設(shè)計采用CH378L則支持12 Mbps全速和480 Mbps高速USB通信，外圍元器件只需要晶體和電容.自動檢測USB設(shè)備或SD卡的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的事件通知.提供SPI主機(jī)接口，支持SD卡以及TF卡等，支持容量高達(dá)32GB的U盤和SD卡，具有大的存儲空間，不僅更加方便快捷，而且播放音樂更加流暢.

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計MPU采用STC12C5 A60S2為系統(tǒng)控制芯片，CH378L作為U盤，SD/TF卡接口芯片，利用并口方式進(jìn)行連接方式.CH378L并口數(shù)據(jù)可以直接與MPU數(shù)據(jù)相連，通過CH378L讀取U盤或SD/TF卡上的音頻數(shù)據(jù)，并將其按照操作時序，傳輸給頻解碼器VS1003，VS1003對音頻文件數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，輸出音頻信號驅(qū)動音箱，實(shí)現(xiàn)音樂播放.系統(tǒng)總體框圖如圖2.

2.2 接口電路設(shè)計

CH378L與MPU共有并口，串口，SPI3種通信方式，如果需要將CH378 L配置為并口方式，那么TXD引腳應(yīng)該懸空，SEL引腳應(yīng)該接地.接口引腳包括有AO、PCS#、RD#、WR#、DO-D7、INT#.

如果需要將CH378L配置為SPI串行通訊方式SPI，那么SEL引腳應(yīng)該懸空，TXD引腳應(yīng)該接地.該接口與MPU通信，連接的引腳包括SCS、SCK、SDO、SDI、INT#.如果需要將CH378L配置為異步串口通信方式，那么TXD引腳和SEL引腳應(yīng)該都懸空.該接口與MPU通信的引腳有TXD、RXD、INT#.CH378L的接口電路如圖3所示.

MPU與CH378L以并口的方式進(jìn)行操作，速度更快，在并口方式下，通過CH378L的狀態(tài)端口即INT#引腳，獲取接口狀態(tài)，為0時表示有中斷請求.并口信號線包括：地址輸入引腳AO、片選輸入引腳PCS#、讀選通輸入引腳RD#、寫選通輸入引腳WR#以及8位雙向數(shù)據(jù)總線D7～DO. CH378L與SD/TF卡是通過SD_IN，SD_WP，SD_CS，SD_CK，SD_DO，SD_DI這些信號線連接的.CH378L與U盤接口總線包括SV電源線，地（GND）線，和一對數(shù)據(jù)信號線UD -與UD+連接.接口電路如圖4所示.

CH3781.芯片的PCS#可以由地址譯碼電路產(chǎn)生，也可以占有一個I/O線.CH378L芯片的RD#引腳和WR#引腳可以分別連接到單片機(jī)的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳，表1為并口I/O操作的真值表（X代表不關(guān)心此位，Z代表CH378L高阻態(tài)）

2.3 音頻解碼VS1003接口電路

VS1003通過串行總線SPI與主機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)信息的交換，并且SPI總線有兩種功能特性：串行控制接口（SCI）和串行數(shù)據(jù)接口（SDI）.VS1003芯片主要通過這兩個接口來接收主機(jī)傳送過來的控制命令和音頻數(shù)據(jù).其中SCI的數(shù)據(jù)傳輸長度固定為16位，通過對SCI接口的16個位寄存器進(jìn)行讀寫操作來控制.系統(tǒng)開始運(yùn)行后，單片機(jī)將歌曲的信息傳送到VS1003解碼芯片中.音頻解碼模塊對單片機(jī)從U盤或者SD卡里讀取的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換成模擬信號進(jìn)行輸出.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于CH378L內(nèi)置了USB控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，內(nèi)置FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI、UFI、RBC或等效命令集的USB存儲設(shè)備，MPU可以通過CH378L直接讀取U盤和SD卡中的音頻文件信息.CH378L芯片包含的主要常用文件管理控制類命令碼如表2所示.

MPU在FAT規(guī)范下通過文件的形式存取U盤中的數(shù)據(jù)，且實(shí)際的單片機(jī)程序只需要發(fā)出文件管理和文件讀寫命令.由于使用通用I/O模塊并口讀寫時序，所以首先進(jìn)行初始化CH378L_PORT_INIT（），如果通過PC機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)，需要通過串口調(diào)試窗口進(jìn)行，對系統(tǒng)串口進(jìn)行初始化mlnitSTDIO（），初始化CH378L芯片后查詢CH378L中斷并更新中斷狀態(tài)，等待U盤或SD卡的插入，需要注意的是，對于某些U盤必須檢查U盤是否準(zhǔn)備好，查詢完磁盤的容量后就可以開始操作U盤或SD了，具體程序操作過程為：對于U盤上的某子目錄，尋找文件，如果沒有發(fā)現(xiàn)該子目錄，則對根目錄下各音頻文件（這里以mp3文件為例），進(jìn)行枚舉打開，并通過串口調(diào)試窗口顯示.之后對找到的mp3文件信息進(jìn)行顯示.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試

音樂播放過程在于，MPU對SD卡/U盤以文件形式訪問，前面重點(diǎn)論述的，為采用CH378L接口芯片的實(shí)現(xiàn)方案，當(dāng)MPU讀取了SD卡/U盤上的音頻數(shù)據(jù)，只有按照正確的方法將音頻文件，比如MP3文件發(fā)給VS1003，音樂才能正確播放出來.MPU通過SPI串行總線對音頻解碼芯片VS1003進(jìn)行操作.VS1003等待接收MPU從SD卡/U盤上讀取的MP3文件數(shù)據(jù)流.以U盤為例，從U盤讀出MP3文件到MPU的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小設(shè)置為512Byte，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往VS1003. VS1003內(nèi)置有32Byte的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，MPU可以發(fā)送一組32Byte的數(shù)椐，然后檢測DREQ，當(dāng)DREQ為低停止等待發(fā)送，只有當(dāng)DREQ為高時，才可以送下一組32Byte的數(shù)據(jù).為了實(shí)現(xiàn)音樂播放的連續(xù)性，MPU要保證音頻數(shù)據(jù)流不間斷，要保持對U盤音頻文件數(shù)據(jù)的讀取，并且按32Byte -組數(shù)據(jù)，按上述操作發(fā)送給VS1003，直到把整個音頻文件發(fā)完為止，完成一首音樂的完整播放.流程如下：

1）打開一個指定的MP3文件；

2）讀一個扇區(qū)數(shù)據(jù)（ 512Byte）；

3）發(fā)32Byte的數(shù)據(jù)到VS1003；

4）檢測DREQ，當(dāng)DREQ為高時發(fā)下一個32個printf（”lFFFile MP3%s＼n”，Ptr）；delayx（50）；while（*Ptr！=，＼0'Ptr++；Ptr++；}}

程序流程圖如圖5.字節(jié)的數(shù)據(jù)；

5）是否發(fā)完512Byte，否，則回到3）；

6）是否發(fā)完打開的MP3文件，否，則回到2）；

7）關(guān)閉打開的文件.

對關(guān)鍵的系統(tǒng)硬件電路器件進(jìn)行調(diào)試，測試CH378L，VS1003，確認(rèn)硬件電路正常，并將U盤/SD卡插入.在Keil version4環(huán)境下，采用C語言對相應(yīng)的功能進(jìn)行了軟件調(diào)試，編譯連接，通過ISP軟件，將程序代碼下載到STC12C5A60S2.此時系統(tǒng)開始對U盤/SD卡操作，讀取音頻文件信息，在串口調(diào)試窗口可以觀察得到調(diào)試信息，如圖6.這些顯示的信息表明，CH378L，已經(jīng)正常工作，并檢查U盤，總?cè)萘繛?899MB，對存儲在其上的音頻文件進(jìn)行的查詢，總共有14個文件.之后系統(tǒng)進(jìn)行音樂播放.

5 結(jié)論

本設(shè)計采用新型接口芯片CH378L進(jìn)行單片機(jī)對U盤和SD卡控制的設(shè)計，簡化了對U盤和SD卡的讀寫控制部分，具有簡單、方便、快捷的特點(diǎn)，優(yōu)化了對SD卡讀寫的部分，而且CH378L具有20KRAM存儲的空間，支持容量高達(dá)32 GB的U盤和SD卡，為解決對大的存儲設(shè)備管理，并避免音樂播放不流暢的問題提供了一種有效可靠的方案，本文介紹的基于CH378L的音頻播放器，可以實(shí)現(xiàn)對存儲在SD卡/U盤上任意音頻文件的操作，播放形式也是可以選擇，可以按順序進(jìn)行，也可以通過按鍵隨機(jī)選擇，并實(shí)現(xiàn)了暫停、繼續(xù)、上一曲、下一曲等功能.達(dá)到了設(shè)計效果，