手把手交你DIY一个MP3

天地卧龙

DIY自己的MP3的一个很大原因是手头有几个小硬盘（1，2个G），扔了可惜，放在电脑里简直是浪费主板的IDE接口，相信DIY玩家们都深有同感吧。所以我就想，如果不需要PC，直接接个解码板就可以播放里面的MP3，那该是多好的事情啊。
MP3播放机的工作原理
首先来看看硬件结构：

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一个完整MP3播放机要分几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。如上图。其中中央处理器和解码器是整个系统的核心，在我的DIY作品中，这两个部分集成在一个芯片中。这里的中央处理器我们通常称为MCU(单片微处理器)，简称单片机。它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware。控制MP3的各个部件的工作：从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作，显示系统运行状态等任务。解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码(有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成)。它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号。

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存储设备是MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASH MEMORY）,在我的作品中是用硬盘存作为存储器。它通过主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3也不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种。播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。

　　主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储协议规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。这里需要遵循几个规范：USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议。

　　音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。这里要介绍一下数字音频信号。数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。我们知道声音的本质是波，人说能听到的声音的频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。数字音频信号是对模拟信号的一种量化（如下图），典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔做采样，对振幅做量化。单位时间内的采样次数称为采样频率。这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。这是ADC（模拟-数字转换）过程,DAC（数字-模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率顺序转换成对应的电压。MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。

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MP3播放机的显示设备通常采用LCD或者LED发光二极管。显示系统的工作状态。

[此帖子已经被作者于2004-11-2 14:35:29编辑过]

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控制键盘通常是按钮开关。键盘和现实设备合起来构成了MP3播放机的人机交互界面。

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MP3播放机的软件结构跟硬件是相对应的，即每一个硬件部分都有相应的软件代码，这是因为大多数的硬件部分都是数字可编程控制的。最简化的MP3软件处理任务只有两个操作：

　　1． 读取存储器上的数据，送到解码器，解码器的输出送到音频DAC；

　　2． 分析USB主机控制器发的指令，完成对存储器的操作，将操作结果送回USB主机。

　　前一个处理过程完成了MP3数据的回放，后一个处理过程实现了USB移动存储器。这两个过程也是整个软件部分最复杂的。除此之外的部分都是为了实现主要功能设计的，由于篇幅限制，不能对每个模块详细说明。

[center]DIY过程

　　如此复杂的一个系统，DIY的过程也是漫长艰难的，从最初到初步完成历时8个月。大致分成几个阶段：资料搜集和器件选型、绘制电路图、制作印刷电路板、焊接和硬件调试、软件编码、外壳包装。

　　资料搜集和器件选型

　　这项工作我很早就开始了。 小小的MP3播放机汇聚了多项标准协议，包括MP3标准本身，用于存储的FAT文件系统，USB通信协议和微软大容量移动存储标准。互联网真是个好东东，假如没有互联网，这个东西恐怕也不可能造出来。所有的参考资料都来自于网络。

　　资料是有了，能否实现关键依赖于能否找到合适的器件。好在一开始就选定了ATMEL公司的MP3单芯片解决方案，这颗IC真是做MP3绝好的选择，它集成了MP3需要的大多数部件。外围芯片也很重要，首先要解决的就是音频DAC，选择的要点是要能与解码器输出的数字音频信号格式匹配，其次要考虑价格，是否能买到等因素。剩下的就是一些普通芯片了，逻辑门、存储器，电源、功放、各种插件等。这可是一个痛苦的过程，在网上找到资料，经研究符合使用条件，于是就到市场上找，买到后回来做实验。很多器件不是很容易就能买到的，买不到就得重新查资料，选新的型号，然后再去市场。辗转很多次，最终定了现在看到的这些东西。

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接下来是绘制电路图。首先要做的是根据各种芯片的数据手册绘制原理图，工具是protel 99se，这是一个广泛使用的电路图CAD软件。

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原理图设计好后是画印刷电路板图（简称PCB）。这种复杂程度的电路图至少要用双面板来设计了，否则走线根本走不通。这个过程需要准确测量元件的外形尺寸，安排他们的位置，叫做元件布局。当然大多数元件都有标准的外形尺寸，我们叫做封装。所有的元件位置放好后就开始布线了（将原理图中标记的需要连通的两个管脚在线路板上用连起来）。虽然PROTEL提供了自动布线的能力，但是机器布线的目标是全部走通，并不考虑美观问题和走线对信号的影响（这点在高速电路中尤其重要，MP3还不算是高速系统）。最终布线的结果就是下面这个样子。

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接下来就是制作印刷电路板，如此密度的线路板已经不可能手工制作了，只能外包加工。电子市场有很多加工线路板的厂家，交给他们做就好了，这个我也不多介绍了。下面的图就是最终做好的线路板，表面一层绿色的是阻焊层，因为多数IC的管脚非常密，如果没有阻焊层焊接的时候很可能造成短路。银白色的叫做焊盘，因为没有被阻焊层覆盖，裸露的铜表面烫了一层焊锡，为了将来焊接更方便。

[此帖子已经被作者于2004-11-2 14:41:18编辑过]

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焊接是个很大的挑战，为了小型化和降低布线难度，大部分器件都采用表面焊接技术，表面焊接的器件特点是IC的管脚密度很大，阻容元件体积很小。其中主芯片有84个引脚，分布在芯片四周，两管脚的中心距只有0.65mm，间距更是小到0.35mm。最小的是FLASH存储器的管脚，中心距只有0.5，间距0.3mm。手工焊接这样的器件一般有两种方法，一种就是用普通烙铁焊，焊接短路的地方用吸锡带修整；另一种就是用热风抢吹。我没有热风抢，只能用前一种方法。下面是我的焊接工具。