基于STC单片机WAVE音乐播放器的设计与实现_刘垣1
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2022-08-04
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!"#$ 年第 %& 期
科
技 创 新
科技创新与应用
基于 STC 单片机 WAVE 音乐播放器的设计与实现
刘
垣 李外云 赵嘉怡
（
华东师范大学 信息科学与技术学院，上海 !""!&’）
引言
随着
电子技术的发展，数字音频应用系统在我们现实生活中随
处可见，比如电梯、商场、电子玩具、报警器等。数字音频技术的基本
原理和处理方法就是采用 ()* （(+,-./01.0)2/21,- *.+345145）模6数
转化，对模拟的音频信号进行采样、量化、编码，然后转换成数字化
的音频数据和文件进行保存。在播放时，再将数字化的音频数据经
过 )(*（)2/21,-71.0(+,-./ *.+345145）数8模转换，恢复到模拟信号形
式由发生器件播放出来。目前市场上便携式的 9(:; 音乐播放器
大部分基于 %! 位处理器，其资源利用率较低，价格偏高。而本设计
充分利用 < 位 =>*’$ 系列单片机的 ?9@ 功能对 9(:; 文件的采
样数据进行 )( 转化方便得实现了 9(:; 音频文件的播放。
’ 系统硬件
本系统采用 =>*’$A!BC"=! 型号的单片机，以单片机为核心控
制整个系统。利用单片机的 =?D 接口实现与 =) 卡物理接口的通信，
完成 =) 卡上 9(:; 音频文件的读取，再将得到的采样数据通过单
片机的 ?9@ 功能进行 )( 转换，经过低通滤波器实现模拟音频数
据的输出。
’E# 系统硬件组成
本系统的组成框图如图 # 所示，硬件结构主要包括单片机最小
系统
F
’G
、=
) 卡接口电路、按键电路、低通滤波电路和耳机接口几部
分。其中单片机与 =) 卡的通信采用 =?D 接口方式，=>* 单片机为主
机，=) 卡为从机；=>* 单片机 ?*( 模块输出的 ?9@ 信号通过低通
滤波器最终连接到耳机接口；单片机的 D8H 口连接 &×’ 独立按键，
用于控制和选择音频数据文件的播放。
要实现 9( :; 音频文件的读取，并且实现高质量播放效果，=)
卡接口电路和有源低通滤波电路是最为关键的两部分，下面将对其
进行重点介绍。
图 ’ 系统硬件电路框图
’I#J# =) 卡接口电路
=) 卡具体的接口电路如图 ! 所示。=) 卡规范
F
!G
规
定了 =) 卡的
工作电压为 %J% :（!JKL%JC:），因此采用电源稳压芯片 (@=###K0%J%
将 $: 电源转换到 %J%: 供 =) 卡使用。电阻 M&LMN 组成了 % 个分压
电路，用于将 =>* 的 $: 引脚输出电平转换成 %J%:。此时 =) 卡才可
以正常工作。
硬件设计好之后还需要实现 =) 卡的接口驱动。接口驱动的实
现是通过单片机的 =?D 总线编程。=?D 总线是一个面向字节的全双
工 & 线串行通信接口。=?D 总线系统包括一个主机和一个从机，双方
之间通过 & 根信号线相连，分别是：主机输出8从机输入（@H=D），主
机的数据传入从机的通道；主机输入8从机输出（@D=H），从机的数据
传入主机的通道；同步时钟信号（=*OB），同步时钟是由 =?D 主机产
生的，并通过该信号传送给从机，主机与从机之间的数据接收和发
送都以该同步时钟信号为基准进行；从机选择（==），该信号由主机
发出，从机只在该信号有效时响应 =*OB 的时钟信号开始通信。
=?D 通信的本质是在同步时钟作用下进行串行移位，其通信的
工作模式和时序在 =?D 总线规范
F
%G
中
进行了详细的描述。根据 =) 卡
总线时序
F
&G
，
并针对 =>* ’$A!BC"=! 型号单片机，本系统实现了以下
几个驱动函数，分别为初始化函数、接收字节函数和发送字节函数。
’J’J! 有源低通滤波电路
有源低通滤波电路由集成运放和无源元件电阻和电容构成。它
的功能是允许从零到某个截止频率的信号无衰减地通过，而对其他
频率的信号有抑制作用。
本系统设计的有源低通滤波电路为二阶低通滤波电路
F
$G
，
其通
带放大倍数与一阶电路相同，可由公式（’）得到。衰减斜率达每十倍
频 &"PQ。由于运放电路中的电阻不宜选择过大或过小，一般为几千
欧至几十千欧较合适，因此低通滤波电路的电阻值 M
’
R’
&BΩ，M
!
R
’
"BΩ，电容值 *
’
R’
+A，*
!
R’
+A。将电阻电容值带入公式（!）得到该有
源低通滤波器的截止频率约为 ’%STU。为了减少输入偏置电流及其
漂移对电路的影响，应使 M
’
VM
!
RM
%
8
8M
&
，
这里取 M
%
RC
<BΩ，M
&
R
%
NJ<BΩ。将电阻 M
%
、M
&
的
阻值带入公式（’）可得到通带增益为 ’J$<。
(R’VM
&
8
M
%
（’）
W
XR’8!π
M
’
*
’
M
!
*
!
姨
（!）
’
J! ?9@ 方式 )(* 转换
?9@ 是脉冲宽度调制的简称。一个典型 ?9@ 的波形如图 % 所
示，图中 > 是 ?9@ 波的周期，>
’
是
高电平的宽度，:
*
*
是
高电平值。
当该 ?9@ 信号通过一个低通滤波器后，可以得到其输出的平均电
压为 :，如公式（%）所示
:R:
*
*
×
T
’
8T （%）
摘
要
：
目前市场上便携式的 9(:; 播放器大部分基于 %! 位处理器，其资源利用率较低，而且价格偏高。针对上述情况，文章充
分利用 < 位 =>*’$ 系列单片机的串行外围设备 =?D 接口和脉宽调制 ?9@ 输出等功能，结合开源的 A,1A= 文件系统，完成对 =)
卡上存储的 9(:; 音频文件进行读取、)(* 转换，然后通过有源低通滤波器，实现对 9(:; 音频文件的播放。实验结果表明本
文设计的 9(:; 播放器不仅硬件电路简单，成本低廉，而且播放效果完全达到 *) 音质级别。
关
键词
：=
>*’$ 单片机；9(:; 播放；=) 卡；?4121 A,1 文件系统
图 !
=) 卡接口电路原理图
图 %
?9@ 波形图
$"
7
7
王向庄
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