引言

　　在當今這樣一個(gè)充滿(mǎn)競爭與挑戰的社會(huì )，人們的生活顯得日益緊張而繁忙，同時(shí)也對休閑娛樂(lè )的要求越來(lái)越高�？ɡ璒K作為一種休閑娛樂(lè )項目一直備受人們青睞。但人們在唱歌時(shí)往往被局限于狹小的卡拉OK廳內，行動(dòng)、思維、靈感上都大大受到影響，無(wú)法最佳發(fā)揮。針對這種現狀，我們設計出一種基于U盤(pán)存儲的體積小巧的移動(dòng)卡拉OK系統。用戶(hù)可以在精心設計的環(huán)境中隨心所欲地引吭高歌，充分展示自己的激情與靈感，使人與音樂(lè )達到完美結合。

系統硬件實(shí)現

　　本系統以AT89C51SND1C為核心處理器，采用美國國家半導體公司的LM4832、LMV722和LM4838作為立體聲音頻功率放大器， 以CS4330為音頻DAC，K9F5608U0A為存儲器并通過(guò)USB接口與主機通信，從而實(shí)現歌曲播放與麥克風(fēng)輸入；同時(shí)輔以鍵盤(pán)輸入控制和LCD實(shí)時(shí)顯示。整體硬件結構如圖1所示。

歌曲播放部分設計

　　歌曲播放部分主要實(shí)現歌曲播放與麥克風(fēng)輸入，即實(shí)現音樂(lè )與用戶(hù)歌聲的融合，是系統的核心部分。本系統采用AT89C51SND1C作為中央處理器。Flash中存儲的MP3文件經(jīng)解碼器解碼后輸出I2S格式的數字信號，通過(guò)數模轉換芯片轉換后輸出左右兩路微弱的音頻模擬信號，分別作為L(cháng)M4832左右聲道的輸入信號。本設計利用LM4832、LMV722和LM4838的巧妙結合(如圖1所示)，對音樂(lè )信號和用戶(hù)歌聲進(jìn)行混合和功率放大，達到絕佳的音響效果。

　　LM4832是具有I2C接口的數控音質(zhì)音量的立體聲音頻功率放大器。它的左右聲道、高低音均獨立可調，并具有3D音響效果和軟件可控低功耗休眠模式。此外，它還提供兩路獨立可選的麥克風(fēng)輸入前置放大與音量控制，這就使得整個(gè)系統實(shí)現卡拉OK的功能成為可能。但LM4832的音頻輸出與麥克風(fēng)輸出是獨立的，這就需要對歌曲和用戶(hù)歌聲進(jìn)行前置混合。在此采用LMV722構成的加法運算電路，它具有低噪聲高增益帶寬的特點(diǎn)，其增益帶寬高達10MHz，完全滿(mǎn)足本系統的要求。由于LMV722是單電源供電的，要結合前級輸入信號幅值來(lái)設計它的直流偏置電壓值，同時(shí)其輸出的兩路混合信號要經(jīng)過(guò)濾波電路濾除其直流偏置后方可作為后級功放輸入。為了達到卡拉OK震撼人心的音響效果，需要對音頻信號進(jìn)行功率放大，因此選用功率高達2W的LM4838音頻功率放大器。它具有DC音量控制、可選內外部增益、低音加重等特點(diǎn)，并帶有過(guò)熱保護電路和低功耗休眠模式（休眠電流為0.7 A）。這里通過(guò)螺旋電位器來(lái)調節功率大小。LM4838輸出提供揚聲器和耳機兩種接口，而且兩者之間可以方便切換，使得用戶(hù)可以隨意改變自己的方式。{{分頁(yè)}}

　　值得注意的是：在整個(gè)音頻功放實(shí)現過(guò)程中，要合理分配每級電路的增益，以免音頻信號失真。 LCD實(shí)時(shí)顯示部分設計

　　LCD用于實(shí)時(shí)歌詞和狀態(tài)顯示。由于Windows 系統自帶的字庫有267K之多，因此選用容量為512K的Flash W29C040來(lái)存放字庫。同時(shí)考慮到主處理器RAM大小及音頻解碼的連續性，我們選用一片單片機（即從處理器）來(lái)專(zhuān)門(mén)處理LCD的顯示，它與主處理器之間通過(guò)串口（UART）來(lái)通信。LCD上的每個(gè)漢字是以16 16點(diǎn)陣方式來(lái)顯示的，需用32字節來(lái)表示；每個(gè)ASCII字符是以8 16點(diǎn)陣方式顯示,需用16字節來(lái)表示。而1首歌曲歌詞文件（*.lrc）一般有1～2K字節左右大小，故采用外擴RAM(62256)來(lái)存儲歌詞文件。整個(gè)LCD顯示部分采用總線(xiàn)結構，編程簡(jiǎn)單方便，處理數據游刃有余。

U盤(pán)設計部分

　　歌曲的存放與更新采用USB接口。存儲器大小可以自選，作為代表性實(shí)驗，本系統采用32M Flash K9F5608U0A作存儲器。U盤(pán)設計的硬件電路十分簡(jiǎn)單，只需將Flash和主處理器的一些相應引腳相連即可。U盤(pán)設計的重點(diǎn)是USB協(xié)議的實(shí)現，在后文將會(huì )詳細介紹。為了保證系統能正確識別出當前狀態(tài)是處于U盤(pán)狀態(tài)，還是處于歌曲播放狀態(tài)，需要設置狀態(tài)判定電路，如圖2所示。

系統軟件設計

　　系統軟件主要包括歌曲播放和USB通信程序。系統上電后，根據P3_4口判斷當前所處的狀態(tài)而分別執行相應的程序代碼。 歌曲播放軟件設計

　　歌曲播放器程序要與鍵盤(pán)和LCD配合起來(lái)設計。程序流程大概可分為：硬件初始化→獲取U盤(pán)中mp3歌曲列表→歌曲播放和LCD顯示。

　　硬件初始化主要負責mp3解碼器的時(shí)鐘設置、Flash復位和LM4832的初始化，這是系統正常工作的關(guān)鍵。LM4832上電時(shí)，其聲道音量和麥克風(fēng)音量均為無(wú)聲狀態(tài)，表1為左聲道的I2C數據流格式真值表，其他類(lèi)似，具體可參考LM4832芯片資料。因此需設置各狀態(tài)初始值，將各初始值均設在0dB。另外硬件初始化還包括鍵盤(pán)、LCD、UART初始化等工作。

　　獲取U盤(pán)中的mp3歌曲列表通過(guò)查找U盤(pán)根目錄區中每個(gè)目錄項來(lái)實(shí)現，同時(shí)將歌曲數目通過(guò)串口發(fā)送給LCD顯示從處理器。{{分頁(yè)}}

　　歌曲播放和LCD顯示是程序的核心部分。主處理器和LCD從處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，以達到歌曲播放與歌詞顯示的同步以及鍵盤(pán)操作狀態(tài)的及時(shí)刷新。其程序流程圖如圖3所示。

　　MP3解碼器一旦開(kāi)始工作，就會(huì )一直向 CPU請求數據，直至歌曲結束。只有用鍵盤(pán)操作才能中斷CPU。鍵盤(pán)操作總共4個(gè)按鍵（Menu/Previous/Next/Play）。Menu負責功能切換，共有5項功能：歌曲音量控制、高音調節、低音調節、麥克風(fēng)音量控制和歌曲選擇。在不同功能下Previous和Next分別代表不同的含義。在音量控制上為加/減音量，在歌曲選擇上為上一首/下一首歌曲。LCD在顯示歌詞的同時(shí)實(shí)時(shí)顯示鍵盤(pán)操作狀態(tài)，以便用戶(hù)操作。

USB海量存儲設計

　　主處理器讓USB海量存儲設備在批量傳輸方式下工作，這樣共需要3個(gè)端點(diǎn)。

　　0端點(diǎn)：控制端點(diǎn)。用于控制傳輸，PC機通過(guò)與端點(diǎn)0相對應的管道來(lái)讀取設備描述符，完成對設備地址的設置，并完成配置。此端點(diǎn)為雙向數據傳輸端點(diǎn)。

　　兩個(gè)非0端點(diǎn)：批量傳輸端點(diǎn)。這種端點(diǎn)為單向數據傳輸端點(diǎn)，分別為批量輸入端點(diǎn)和批量輸出端點(diǎn)。

　　主處理器通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)中斷寄存器（UEPINT）和PC機通信。如果某個(gè)端點(diǎn)完成了相應的操作，就會(huì )引發(fā)中斷。U盤(pán)主程序流程圖如圖4所示。

　　當USB設備插入到PC機時(shí)，PC機一旦檢測到設備后，就會(huì )通過(guò)控制管道向默認地址發(fā)送USB標準請求，進(jìn)入設備配置階段，即PC機向設備索取各種描述符的過(guò)程，如Get Descriptor、Set Address、Set Configuration等。每當設備收到主機發(fā)送的數據后，便會(huì )觸發(fā)端點(diǎn)中斷寄存器中端點(diǎn)0所代表的位。此時(shí)，應讀取端點(diǎn)0的數據緩沖區，對照USB標準設備請求的數據格式，對請求類(lèi)型進(jìn)行識別，然后轉向相應的標準請求處理函數。配置完成后，主機便使用在描述符中所選定的命令塊向批量傳輸端點(diǎn)發(fā)送控制消息和數據。

　　在批量傳輸方式下，有3種類(lèi)型的數據在USB和設備之間傳送：CBW、CSW和普通數據。因此，批量傳輸階段程序設計的任務(wù)就是要識別來(lái)自批量輸出端點(diǎn)的CBW與數據，進(jìn)行相應的處理，然后通過(guò)批量輸入端點(diǎn)向主機回傳相應的CSW或數據。PC機依次向設備發(fā)出Inquiry、Read Capacity、UFI Mode Sense、Read Format Capacity等請求，這幾個(gè)命令用于告知PC這個(gè)設備的存儲器情況，PC基于此創(chuàng )建一個(gè)存儲器設備，即在瀏覽器中生成一個(gè)移動(dòng)盤(pán)符，并可以復制、刪除或創(chuàng )建文件等。系統自動(dòng)將這些命令都轉換成Read或Write兩種命令，通過(guò)USB的READ或WRITE命令塊描述符從Flash中相應扇區讀取數據，或是將特定長(cháng)度的數據寫(xiě)入Flash相應簇中。文件在U盤(pán)中按Fat16協(xié)議存儲。由于PC對存儲器的讀寫(xiě)是按扇區（512字節/扇區）為最小單位進(jìn)行的，但Bulk端點(diǎn)的最大傳輸能力為64字節。因此，主機讀寫(xiě)操作的數據傳輸過(guò)程要分多次才能完成。而寫(xiě)操作比讀操作更加繁瑣一些，這是因為Flash在對某扇區進(jìn)行寫(xiě)之前，必須要將其擦除，而擦之前存在已有數據的保存問(wèn)題。為了加快主機與U盤(pán)之間數據傳輸率，讀寫(xiě)操作的代碼改用匯編來(lái)編寫(xiě)。測試表明，U盤(pán)的讀寫(xiě)速度可達到450Kbps。

結束語(yǔ)

　　本系統采用LM4832、LMV722和LM4838的巧妙結合作為立體聲音頻功率放大器，并利用U盤(pán)存儲技術(shù)來(lái)存儲歌曲，使得整個(gè)系統不僅擁有優(yōu)質(zhì)的視聽(tīng)效果，而且體積僅有180mm 70mm 100mm這么大。實(shí)驗表明，本移動(dòng)卡拉OK系統不僅具有數控音質(zhì)音量、立體聲音頻功率放大和超強3D音響效果的特點(diǎn)，而且功耗低、用戶(hù)界面友好、便于攜帶。同時(shí)它也可作為MP3播放器或U盤(pán)使用，功能齊全。