现在市场上使用硬盘代替闪存的硬盘MP3播放机越来越多。这类MP3的硬盘大部分为20G～40G的笔记本2.5英寸硬盘，其实也可以使用3.5英寸的硬盘。2.5英寸硬盘和3.5英寸硬盘的IDE接口只差4根线，见图1，即IDE接口的41～44脚只在2.5英寸硬盘中有，作为电源引脚使用，其余1～40脚的定义两种硬盘完全相同。如果不要求具有移动性能，使用3.5英寸硬盘制作MP3的性价比更高。如果手里有以前升级留下的小硬盘，扔了可惜，而放在电脑里又浪费主板的IDE接口，我们可以不需要PC，直接接个解码板播放硬盘里的MP3，即打造自己的硬盘MP3播放机。
目前支持硬盘的MP3方案有多种，笔者选择了ATMEL公司的AT89C51SND1C单芯片解决方案（MCU+MP3解码器），见图2。由于将MCU和MP3解码器集成在了一起，可以使制作更加方便，也减少了出错的可能。
硬件结构与原理
一个完整MP3播放机要分几个部分（见图3）：中央处理器、解码器、存储设备、主机通信端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。其中，中央处理器和解码器在本制作中已经集成在一片AT89C51SND1C中。AT89C51SND1C可以看作经典的51系列单片机中的一员，它控制MP3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。总之就是负责控制全部I/O口。
解码器是AT89C51SND1C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，这时候中央处理器的性能就对音质有很大的影响了）。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。目前市场上单独的硬件解码器中，飞利浦的音质最佳，但不是整合的，外接处理器控制比较麻烦，常见于一些高档的MP3播放机中。AT89C51SND1C的解码器只支持MP3格式的解码。
存储设备是MP3播放机的重要部分，通常MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASH MEMORY），AT89
C51SND1C共支持IDE光驱、IDE硬盘、FLASH和MMC卡4种储存设备。在笔者的作品中用硬盘作为存储器，它通过主机通信端口传输数据，回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。笔者自制的MP3播放机直接利用PC的文件系统来管理MP3的存储器。微软操作系统采用的是FAT32文件系统，支持目录管理，支持FAT16/32 长文件名，所以这个MP3播放机可实现从FAT32文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。
主机通信端口是MP3播放机与PC机交换数据的通道，PC通过该端口控制MP3播放机存储设备中的数据，进行拷贝、删除、复制文件等。目前使用最广泛的是用USB总线连接MP3播放机和PC机，将MP3播放机作为PC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、IDE协议。不过，AT89C51SND1C只支持USB1.1，所以用USB传文件比较慢。
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，它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～20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，由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，对时间坐标按相等的时间间隔进行采样，对振幅进行量化。这样一段声波被数字化后可以变成一串数值，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）过程则相反，将连续的数字按采样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。MP3解码芯片可以使用CS4334，是I2S格式，能实现96kHz /24bit的精度，而且该芯片为8脚的贴片封装，外围元件简单，容易制作。
MP3播放机的显示设备通常采用LCD或者LED发光二极管，以显示系统的工作状态。最好使用LCD，以便于对上千首MP3歌曲进行管理。如果使用的是128×32的点阵型LCD，可以显示2行各8个字符，LCD最好是带字库的。LCD一般使用并行传输，也可以采用串行控制，这样所需的I/O端口就大大减少了。图4是一款128×64的LCD，可以提供更多的显示信息。
控制键盘通常是按钮开关。键盘和设备合起来构成了MP3播放机的人机交互界面。在AT89C51SND1C上，P1.0～P1.4作为行，列可以使用其他多余的I/O口，在此笔者利用P1.5和P1.6组成阵列，这样就一共有2×4=8个控制开关。
电源部分需要3～3.3V电压供给主芯片，5V供给功放、2.5英寸硬盘和DAC，12V供给3.5英寸硬盘（如果使用2.5英寸硬盘的话就不再需要了）。3～3.3V电压也可以用5V串3个硅二极管来实现，或者用专门的稳压管，如LM1117、BA033、HT1033/1034等，这样只需要单电源就可以解决了，只是可能会相互干扰，影响信噪比，所以还应该作好滤波、隔离的工作。如果要当随身听移动使用，可以用两节锂电池，如18650等，串联稳压到5V使用。
这款MP3播放机开发板的电路原理图见图5。
下期笔者将为读者介绍本制作在元件选择、电路调试和软件使用方面的内容。
文/孔德松 林鹏