U盘-MP3设计方案--kuangkuang

U盘-MP3设计方案

匡伟

功能：能够实现从U盘中读取数据，然后用耳机或者音响设备播放音频文件。

 

1、电子产品的设计文件

1.1、概述

我们设计的是U盘-MP3播放器,电源采用外部9V电源供电，它只是一个播放设备,内不带FLASH及存储芯片,如需正常工作,必需外加U盘存储数据。

在过去，U盘、记忆卡SD、FD卡等一些数码存储设备只能用于存取文件并无其它功能，但经过我们研发设计后，你家的那块U盘、那台数码相机内的存储卡，现在已不再是块普通的U盘和简单的存储卡，你只需增加一台我们的设计的播放器即可把你的U盘，记忆卡摇身一变成为MP3。

现在U盘技术已经发展的非常完善，一个4G的U盘市场售价也不过几十块钱。我们设计的这款产品可以借助U盘的普及，采用即插即用（USB接口通信），将普通MP3的存储单元与解码单元的分离的方式，将U盘转换为MP3，并且不需要你花费一台MP3的价钱。

1.2、外形尺寸与主要参数

1.2.1外形尺寸

90×124×30mm

1.2.2主要参数

电源：9V直流电源供电

音频播放格式：MP3、WMA、WAV

传输接口模式：USB1.1全速模式

1.3、技术要求

1.3.1主要要求

读取U盘的中的MP3、WMA格式数据，播放出高音质流畅的音乐。用户可以通过按键实现上一曲、下一曲、音量控制等功能，并可以将歌曲名称通过LCD显示。

1.3.2指标

信噪比：60dB以上

频率响应范围：20～20000Hz

采样频率：支持播放44.1Khz的MP3音频文件

输出功率：单一声道的最大输出功率7-18mW

数据下载：采用的是USB1.1全速模式

1.3.3允许误差

总谐波失真：THD<0.5%

1.3.4试验条件及方法

1)     实验工具：5V直流电源、ISP下载线、万用表、U盘、耳机

2)     实验方法：连接好电源、耳机，插上U盘(U盘里要存储有MP3、WMA、WAV格式的音频文件)，按键播放歌曲，人耳判断音质效果和流畅程度。用万用表测试各输出接口的电压，检测系统的工作情况。

1.3.5包装

1)      包装材料不应与MP3板子发生物理和化学作用，包装容器必须牢固，紧密。外包装可集中将产品装入纸箱中，箱内空隙处应用柔软材料填塞妥实。包装单位的大小可根据运输部门有关规定和供需双方在保证贮运安全的原则下确定。

2)      标志MP3的名称，有商标的也应注明。生产单位名称、 生产批号及生产日期，使用说明。每个批号的产品交付使用单位时，均应附有产品检验合格证。

1.3.6存储和运输

①请存储在干燥的环境中，避免电路受潮而出现不必要的问题。

②因为产品外壳是塑料材质，请不要在存储和运输时挤压外壳，以免损坏。

 

2、技术说明书

2.1、概述

2.1.1产品的用途

本产品是一个用于播放U盘内的音频文件的简易的MP3播放器，其实现了将普通MP3的存储单元与解码单元的分离。

2.1.2性能

本产品成本较低，质量较优，方便使用。具有以下主要优点：

1)      免安装，不必忍受复杂的安装过程，只需将USB插口插入到产品中即可，轻松将网络流行音乐转至音响；

2)      免费下载网络音乐，因特网上有无数音乐曲目可以轻松下载，也可通过朋友之间拷贝歌曲，节省大量费用；

3)      MP3属于数字音乐，音质优美可与CD媲美；

4)      歌曲容量大一次可写入几十以至上百首歌曲；

5)      可以反复擦写，随意编辑，把您最爱听的歌曲编成专辑，一改CD无法改写编辑带来的不便；

6)      操控灵活方便，一键触摸式操控，操作自如安全方便体积小巧便于携带，不占用过多空间。

2.1.3组成

8051单片机控制芯片，基于VS1003解码部分，基于CH375的USB主控部分，电源部分。具体的结构图如下图1所示。

U盘

单片机

音频解码器

耳机

LED

按键

接口芯片

图1 系统结构图

2.1.4工作方式

    在本设备中，CH375作为USB主机，当发现有USB设备接入，产生中断通知8051,就可以进行读写操作。

    8051对U盘的操作符合Fat32的数据格式，以扇区为单位对其进行读写。MP3播放音乐的过程,是8051通过CH375（USB接口芯片）从U盘中读取数据文件，然后发送到VS1003解码芯片中去进行解码，从耳机接口输出音乐信号。

2.2技术参数

电源：9V的外接直流电源

数据传输：USB1.0接口

采样频率：支持播放96Khz的MP3音频文件

输出功率：单一声道的最大输出功率7-18mW

2.3工作原理

用户只要将U盘的USB接口插入到本产品的USB插槽中，按下开始键，产品就可自行的将U盘的音频数据读出，解码，播放。用户可以将功放插到该产品上或者将耳机接到该产品上，进行收听。

2.4结构特征

结构紧凑，方便携带

2.5安装和调试

1)      在电路板上焊接所有的元器件，用万用表检查是否有虚焊和漏焊的情况

2)      连接5V的直流电源，然后用万用表检查稳压后的电源是否正常，经LM1117低压差电压调节后的输出电压是否为3.3V和2.5V。

3)      电源正常后，安装上51芯片，用专用的ISP下载器下载程序。如不能下载或检测不到设备，应检查电源情况和电路问题。

4)      程序下载后，安装上LCD1602，插上存储有音频文件的U盘，连接上耳机，按键听声音。没有声音，则检查电路问题，有声音但是声音不正常，则检查程序问题。

5)      测试播放、停止、上一曲、下一曲的按键功能，功能不正常，则检查程序问题。

6)      电路和程序调试正常，系统能够按预期的目的工作后，安装固定外壳。

三、技术任务书

3.1产品概况

3.1.1产品的用途

实现将U盘的音频文件进行播放。

3.1.2使用范围

凡是带有USB接口的存储设备(fat32格式)中存放的音频文件进行播放。

3.1.3使用要求和条件

要求存储设备必须含有USB接口；可播放的必须是里面的音频文件。

3.1.4设计根据和理由

随着电子技术的发展，MP3播放器向大容量、高音质、小巧便携不断发展。虽然播放器与存储器的一体化设计使MP3播放器便于携带，但与此同时他也带来了很多新的问题，比如存储容量固定，如果想装下更多的歌曲只能去购买新的产品，造成了巨大的浪费；另一方面，一体化又限制了MP3播放器在其他领域的应用，比如车载MP3 等不方便移动的播放器。

另一方面，现在U盘技术已经发展的非常完善，一个4G的U盘市场售价也不过几十块钱，我们设计的这款产品可以借助U的普及，采用即插即用（USB接口通信，使得普通MP3的存储单元与解码单元的分离)的方式，将其转换为MP3，并且不需要你花费一台MP3的价钱！

3.2同类产品比较

现在市场上出现的U盘-MP3播放器一般应用在汽车上，并且用FM收音机的方式进行播放，限制了使用范围和地点，我们这款产品可以随意的拿到任何地方，随时可以使用；并且车载的在应用收音机时时，容易受干扰，对音质和传输范围有很大的影响；车载的产品市面价格一般要几百块钱甚至几千块钱，价格较高，本产品价格可控制在100元（批量生产）以内。

3.3使产品在设计、制造和维护方面，达到最佳技术经济指标

①设计上，我们的MP3采用存储器外带的方式，存储容量可自由选择，可移动的播放器可应用在车载MP3领域。外形结构设计简单美观，在保证功能的情况下，使操作尽量方便。

②电路板生产，批量生产电路板可以保证产品的数量和节约开模费用元器件，保证焊接质量，可减少产品的维护。

③机械装配，效率高，成本低。

四、技术设计书

4.1产品总图

图2 产品总图

4.2元器件明细表

元器件明细表如下面的表1所示。

表1 元器件明细表

4.3产品工作原理图解

在本设备中，ch375作为usb主机，当发现有usb设备接入，产生中断通知8051有外部usb设备可以进行读写操作。

    8051对u盘的操作符合Fat32的数据格式，以扇区为单位对其进行读写。MP3播放音乐的过程是8051通过ch375usb主机芯片从u盘中读取数据文件，然后发送到vs1003解码芯片中去进行解码，从耳机接口输出音乐信号。

他们之间的连接和通信方向如下面的结构图3所示。（双箭头表示双向通信，单箭头表示单向通信）。

图3 通信结构图

4.4主要芯片选择

由于U盘有USB接口，支持USB2.0标准，我们选择了南京沁恒电子生产的一款USB通用接口芯片CH375。

音频解码芯片选择芬兰VISI公司生产的VS1003。VS1003具有MP3/WMA/MIDI解码和ADPCM编码功能，他内部包含一个高性能、低功耗的DSP处理核(VS-DSP)。

系统主控制器采用高速低功耗的STC12C5A32S2单片机，STC12系列引脚、内核及指令完全兼容的单片机8051。并具有增强功能，有单时钟/机器周期，片内有EEPROM功能，带快速的A/D功能（10位精度，8路通道）等，有ISP和IAP编程方式，60 kB的系内可编程 FI ASH，2 kB EEPROM，4 kB SRAM ，单时钟/机器周期使单片机具有高速处理能力，能保证 MP3文件的顺播放。

4.5产品说明书

我们设计的是U盘-MP3播放器,电源采用外部9V电源供电，它只是一个播放设备,内不带FLASH及存储芯片,如需正常工作,必需要外加带USB接口的存储设备！

本产品成本较低，质量较优，方便使用。具有以下主要优点：

1)      免安装，不必忍受复杂的安装过程，只需将USB插口插入到产品中即可，轻松将网络流行音乐转至音响；

2)      免费下载网络音乐，因特网上有无数音乐曲目可以轻松下载，也可通过朋友之间拷贝歌曲，节省大量费用 ；

3)      MP3属于数字音乐，音质优美可与CD媲美；

4)      歌曲容量大一次可写入几十以至上百首歌曲 ；

5)      可以反复擦写，随意编辑，把您最爱听的歌曲编成专辑，一改CD无法改写编辑带来的不便；

6)      操控灵活方便，一键触摸式操控，操作自如安全方便体积小巧便于携带，不占用车内空间。

在使用时，用户只要将U盘的USB接口插入到本产品的USB插槽中，按下开始键，产品就可自行的将U盘的音频数据（Fat32 数据格式）读出，解码，播放。用户可以将功放插到该产品上或者将耳机接到该产品上，进行收听。

存储和运输过程中，防潮、防挤压。

4.6设计图

4.6.1外形图

图4 外形图

4.6.2零部件图

图5 MP3上盖

图6 MP3下盖

4.6.3装配图

图7 装配图

4.6.4电路原理图

图8 电路原理图

4.6.5接线图

1、电源：7805的5V稳压电源电路，为单片机、USB接口芯片供电。

图9  稳压电源电路

 

LM1117低压差电压调节，输出电压3.3V和2.5V为音频解码芯片VS1003供电

图10  LM1117低压差电压调节电路

2、USB接口芯片CH375与单片机的连接。

CH375工作在USB的HOST模式下，将CH375的TXD引脚通过l kΩ的下拉电阻接地，RXD端悬空使CH375工作于并行传输方式。8位并行数据线D0～D7与AT的P0口相连实现数据与命令的并行传输，INT,WR,RD,A0和CS五根控制线分别连接至单片机的P3.5～P3.7和P2.0，P2.1引脚，接口的系统框图如图11所示。RD，WR和CS分别为读选通、写选通和片选，低电平有效；INT中断请求为低电平有效；地址输入线A0为高电平时选择命令端口，可以向CH375写入命令；当A0引脚为低电平时选择数据端口，可以向CH375读写数据。

图11  USB接口芯片CH375与单片机的连接电路

3、主控芯片8051连接。

图12  主控芯片8051连接

VSlO03的所有数据和控制命令均通过SPI总线接口实现，因此与MCU接口实现比较简单，包括3条SPI数据线和4条控制线，接口框图如图所示。

 

4、MP3解码芯片VS1003与单片机的连接。

图13   MP3解码芯片VS1003与单片机的连接

五、生产工艺

5.1、资料审查

A. 审查产品规格

本产品的要求的布线精度<=0.2mm,而实验工厂的设备精度只能达到15mil，远远低于产品的设计精度，因此实验工厂内内制程能力不能达到要求，只能将PCB板拿到外面工厂进行加工。

B.原物料需求（BOM-Bill of Material）

根据上述资料审查分析后，主要的原物料包括了：基板（Laminate）、胶片（Prepreg）、铜箔（Copper foil）、防焊油墨（Solder Mask）、文字油墨（Legend）等。

5.2工艺条件

1、选材：选用常用板材，基板厚度1.6mm

2、加工尺寸：120*80mm；

3、表面涂敷要求：喷锡

4、最小孔径：0.3mm

5、表面阻焊颜色，绿色；字符油墨颜色，白色

6、线宽精度：2mm；线距精度要求：10mil.

5.3、单片生产工艺流程

制造方法采用减除法。下料（CuT裁剪使得基板利用最大化）磨边→钻孔（Drilling）→沉铜加厚（PTH）→外层图形（Pattern）→镀锡、蚀刻退锡（Pattern plating）→二次钻孔→半验（IQC）→丝印阻焊→镀金插头→热风整平→丝印字符→外形加工→成检（FQC）→电测试E-TEST→包装（Packaging） →入库

5.4、批量生产工艺流程

①直插式和贴片式元器件选型后，批量购买。

②批量生产PCB板,使用SMT流水线进行贴片元器件焊接，在焊接车间进行直插式元器件焊接。
③SMT生产工艺流程：
来料检测 ------ 丝印焊膏（点贴片胶）------ 贴片 ------ 烘干（固化）------ 回流焊接 ------ 清洗 ------ 检测 ------ 返修

④样板批量下载程序并调试。

⑤根据外壳相关图纸进行开模后批量生产制作。

⑥检测电路功能正常后，进行批量装配出厂。

5.5、图纸

5.5.1 装配图

图15（同图7） 装配图