移動卡拉OK系統(tǒng)

　引言

　　在當今這樣一個充滿競爭與挑戰(zhàn)的社會，人們的生活顯得日益緊張而繁忙，同時也對休閑娛樂的要求越來越高。卡拉OK作為一種休閑娛樂項目一直備受人們青睞。但人們在唱歌時往往被局限于狹小的卡拉OK廳內(nèi)，行動、思維、靈感上都大大受到影響，無法最佳發(fā)揮。針對這種現(xiàn)狀，我們設計出一種基于U盤存儲的體積小巧的移動卡拉OK系統(tǒng)。用戶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，使人與音樂達到完美結合。

　　系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)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USB接口與主機通信，從而實現(xiàn)歌曲播放與麥克風輸入；同時輔以鍵盤輸入控制和LCD實時顯示。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現(xiàn)歌曲播放與麥克風輸入，即實現(xiàn)音樂與用戶歌聲的融合，是系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)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(shù)字信號，通過數(shù)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LM4832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)，對音樂信號和用戶歌聲進行混合和功率放大，達到絕佳的音響效果。

　　LM4832是具有I2C接口的數(shù)控音質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輸入前置放大與音量控制，這就使得整個系統(tǒng)實現(xiàn)卡拉OK的功能成為可能。但LM4832的音頻輸出與麥克風輸出是獨立的，這就需要對歌曲和用戶歌聲進行前置混合。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，其增益帶寬高達10MHz，完全滿足本系統(tǒng)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設計它的直流偏置電壓值，同時其輸出的兩路混合信號要經(jīng)過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(nèi)外部增益、低音加重等特點，并帶有過熱保護電路和低功耗休眠模式（休眠電流為0.7 A）。這里通過螺旋電位器來調節(jié)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，使得用戶可以隨意改變自己的方式。

　　值得注意的是：在整個音頻功放實現(xiàn)過程中，要合理分配每級電路的增益，以免音頻信號失真。 LCD實時顯示部分設計

　　LCD用于實時歌詞和狀態(tài)顯示。由于Windows 系統(tǒng)自帶的字庫有267K之多，因此選用容量為512K的Flash W29C040來存放字庫。同時考慮到主處理器RAM大小及音頻解碼的連續(xù)性，我們選用一片單片機（即從處理器）來專門處理LCD的顯示，它與主處理器之間通過串口（UART）來通信。LCD上的每個漢字是以16 16點陣方式來顯示的，需用32字節(jié)來表示；每個ASCII字符是以8 16點陣方式顯示,需用16字節(jié)來表示。而1首歌曲歌詞文件（*.lrc）一般有1～2K字節(jié)左右大小，故采用外擴RAM(62256)來存儲歌詞文件。整個LCD顯示部分采用總線結構，編程簡單方便，處理數(shù)據(jù)游刃有余。

　　U盤設計部分

　　歌曲的存放與更新采用USB接口。存儲器大小可以自選，作為代表性實驗，本系統(tǒng)采用32M Flash K9F5608U0A作存儲器。U盤設計的硬件電路十分簡單，只需將Flash和主處理器的一些相應引腳相連即可。U盤設計的重點是USB協(xié)議的實現(xiàn)，在后文將會詳細介紹。為了保證系統(tǒng)能正確識別出當前狀態(tài)是處于U盤狀態(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(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件主要包括歌曲播放和USB通信程序。系統(tǒng)上電后，根據(jù)P3_4口判斷當前所處的狀態(tài)而分別執(zhí)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和LCD配合起來設計。程序流程大概可分為：硬件初始化→獲取U盤中mp3歌曲列表→歌曲播放和LCD顯示。

　　硬件初始化主要負責mp3解碼器的時鐘設置、Flash復位和 LM4832的初始化，這是系統(tǒng)正常工作的關鍵。LM4832上電時，其聲道音量和麥克風音量均為無聲狀態(tài)，表1為左聲道的I2C數(shù)據(jù)流格式真值表，其他類似，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、LCD、UART初始化等工作。

獲取U盤中的mp3歌曲列表通過查找U盤根目錄區(qū)中每個目錄項來實現(xiàn)，同時將歌曲數(shù)目通過串口發(fā)送給LCD顯示從處理器。

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

　　MP3解碼器一旦開始工作，就會一直向 CPU請求數(shù)據(jù)，直至歌曲結束。只有用鍵盤操作才能中斷CPU。鍵盤操作總共4個按鍵（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(jié)、低音調節(jié)、麥克風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在顯示歌詞的同時實時顯示鍵盤操作狀態(tài)，以便用戶操作。

　　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個端點。

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

　　兩個非0端點：批量傳輸端點。這種端點為單向數(shù)據(jù)傳輸端點，分別為批量輸入端點和批量輸出端點。

　　主處理器通過一個端點中斷寄存器（UEPINT）和PC機通信。如果某個端點完成了相應的操作，就會引發(fā)中斷。U盤主程序流程圖如圖4所示。

　　當USB設備插入到PC機時，PC機一旦檢測到設備后，就會通過控制管道向默認地址發(fā)送USB標準請求，進入設備配置階段，即PC機向設備索取各種描述符的過程，如Get Descriptor、Set Address、Set Configuration等。每當設備收到主機發(fā)送的數(shù)據(jù)后，便會觸發(fā)端點中斷寄存器中端點0所代表的位。此時，應讀取端點0的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對照USB 標準設備請求的數(shù)據(jù)格式，對請求類型進行識別，然后轉向相應的標準請求處理函數(shù)。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發(fā)送控制消息和數(shù)據(jù)。

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

　　結束語

　　本系統(tǒng)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盤存儲技術來存儲歌曲，使得整個系統(tǒng)不僅擁有優(yōu)質的視聽效果，而且體積僅有180mm 70mm 100mm這么大。實驗表明，本移動卡拉OK系統(tǒng)不僅具有數(shù)控音質音量、立體聲音頻功率放大和超強3D音響效果的特點，而且功耗低、用戶界面友好、便于攜帶。同時它也可作為MP3播放器或U盤使用，功能齊全。