基于ARM的MP3播放器的設(shè)計(jì)與制作

1、嵌入式MP3播放器的設(shè)計(jì)1 系統(tǒng)概述本文采用STM32系列微控制器， 結(jié)合解碼芯片VS1003、SD卡、LCD等外圍設(shè)備設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了MP3播放器。其主要功能有:播放VS1003支持的所有音頻文件，如MP3、WMA、WAV文件，且音質(zhì)非常好；通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)按鍵功能，控制播放上一首/下一首、音量增減等；通過LCD顯示歌曲名字和播放狀態(tài)；本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了讀卡器功能，PC機(jī)可通過USB接口直接對開發(fā)板上的SD卡進(jìn)行讀寫操作， 以方便拷貝音頻文件。MP3播放過程是STM32通過SPI1接口將數(shù)據(jù)從SD卡中取出，然后通過SPI2接口送至解碼芯VS1003解碼播放。這里解碼模塊單獨(dú)使用一個SPI接口，以減小干

2、擾和噪聲、提高音質(zhì)。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)在硬件上分為6個模塊: 微控制器STM32F103、解碼模塊VS1003、存儲模塊SD卡、觸摸屏、USB接口和顯示屏LCD。系統(tǒng)硬件框架如圖5所示。圖5 系統(tǒng)硬件框架圖2.1 存儲模塊設(shè)計(jì)SD卡在現(xiàn)在的日常生活與工作中使用非常廣泛，時下已經(jīng)成為最為通用的數(shù)據(jù)存儲卡。在諸如MP3、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備上也都采用SD卡作為其存儲設(shè)備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用，是因?yàn)樗鼉r格低廉、存儲容量大、使用方便、通用性與安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。SD卡支持兩種總線方式: SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，而SPI方式采用4線制，采用單片機(jī)對SD卡進(jìn)行讀寫時一般都采

3、用SPI模式?？捎貌煌某跏蓟绞绞筍D卡工作于SD方式或SPI方式。在本設(shè)計(jì)中，音頻數(shù)據(jù)MP3文件是以SD卡為載體。所以在電路設(shè)計(jì)中必須含有讀取SD卡模塊。該系統(tǒng)使用STM32內(nèi)部接口SPI1與SD卡進(jìn)行通信，下面介紹其引腳連接情況。PE3:低電平有效，連接到SD卡的片選引腳CD/DAT3。SPI在和SD卡進(jìn)行通信時，需要將PE3拉低才能對SD卡進(jìn)行操作。PA7:映射為STM32內(nèi)部接口SPI1的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設(shè)備，SD卡是設(shè)備。數(shù)據(jù)流的傳輸方向是從STM32傳輸給SD卡。該信號線用于傳輸一些控制命令來完成SD卡的操作，如讀、寫等。PA5: 已連接到STM

4、32內(nèi)部接口SPI1的時鐘(SCL K)信號線?？稍O(shè)置SPI的時鐘頻率來調(diào)整讀取SD卡數(shù)據(jù)的快慢。PA6 :已連接到STM32內(nèi)部接口SPI1的主輸入從輸出(MISO)信號線。數(shù)據(jù)的傳輸方向是從SD卡傳輸給STM32 ，主要返回SD卡的一些狀態(tài)、內(nèi)部寄存器值等。PC12 :用于檢測SD卡是否完全插入。當(dāng)SD卡完全插入時，PC12為低電平，否則為高電平。22 音頻解碼模塊設(shè)計(jì)音頻解碼模塊完成MCU從SD卡里讀取的數(shù)字MP3音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析、并轉(zhuǎn)化成模擬信號進(jìn)行輸出。在這里，系統(tǒng)使用VS1003音頻解碼芯片來實(shí)現(xiàn)音樂數(shù)據(jù)流的解析。VS1003是由芬蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA音

5、頻解碼芯片，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP， 5K的指令ROM， 0.5K的數(shù)據(jù)RAM，串行的控制和數(shù)據(jù)輸入接口， 4個通用I/O口，一個UART口，同時片內(nèi)帶有一個可變采樣速率的ADC、一個立體聲DAC以及音頻耳機(jī)放大器接口。VS1003與核心控制器MSP430F149的數(shù)據(jù)通信是通過SPI總線方式進(jìn)行的。VS1003主要通過串行命令接口(SCI)和串行數(shù)據(jù)接口(SDI)來接收MSP430F149控制器的控制命令和MP3的數(shù)據(jù)。通過XCS、XDCS引腳的置高、置低來確認(rèn)是哪一個接口處于傳送狀態(tài)。對于VS1003芯片的功能控制，如初始化、軟復(fù)位、暫停、音量控制、播放時間的讀

6、取等，均是通過SCI寫入到特定寄存器的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)的。兩條SCI指令之間要通過DREQ引腳信號判斷上次處理是否完成。該系統(tǒng)使用STM32 內(nèi)部接口SPI2 與VS1003 進(jìn)行通信，下面介紹其引腳連接情況。PA3 ：VS1003 的中斷請求引腳。當(dāng)VS1003 內(nèi)部數(shù)據(jù)已處理完畢，需要新的數(shù)據(jù)時，將DREQ 拉高。STM32根據(jù)這個信號來給VS1003 發(fā)送新的數(shù)據(jù)流。PB13 : 已連接到STM32 內(nèi)部接口SPI2 的時鐘(SCL K) 信號線。PB14 :已連接到STM32 內(nèi)部接口SPI2 的主輸入從輸出(MISO) 信號線。這里STM32 是主設(shè)備，VS1003 是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流的傳輸

7、方向是從VS1003 傳輸給STM32 。主要用于讀取VS1003 的一些狀態(tài)和內(nèi)部寄存器值，比如寄存器測試返回的內(nèi)部寄存器的值。PB15 :已連接到STM32 內(nèi)部接口SPI2 的主輸出從輸入(MOSI) 信號線。這里STM32 是主設(shè)備，VS1003 是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流方向是從STM32 傳輸給VS1003 ，主要傳輸給VS1003 一些控制命令、MP3/ WMA 數(shù)據(jù)流等。PA1 :低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI 傳輸?shù)氖强刂菩盘??？刂菩盘柊ㄗx寫VS1003 的內(nèi)部寄存器、對VS1003 進(jìn)行初始化、設(shè)置左右聲道音量等。PA2 :低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI 傳

8、輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號。比如在向VS1003 傳輸MP3/ WMA 的數(shù)據(jù)流時需要拉低該引腳。PA0 :低電平有效，拉低該引腳則硬件復(fù)位VS1003 。23 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)LCD3310芯片是一個48行84列的液晶顯示器主要模塊。其內(nèi)存帶有低功耗PCD8544的CMOSLCD控制驅(qū)動器，串行輸入速度最高可達(dá)4. 0Mbits/S，而且所有必須的顯示功能集成在一塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，所以LCD3310是一款低功耗的液晶顯示器。為了讓LCD3310液晶能夠顯示4行12* 12的漢字，系統(tǒng)開辟了一個6* 84字節(jié)的緩沖區(qū)，要寫液晶時，就不用直接寫LCD3310的靜態(tài)DDRAM了，可以先

9、寫系統(tǒng)為它開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，最后再刷新修改的部分就可以顯示出要顯示的內(nèi)容，LCD3310與主控制器是SPI接口方式。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案3.1 MP3播放器軟件系統(tǒng)流程原理系統(tǒng)啟動后，先初始化硬件模塊。由MCU通過FAT32文件系統(tǒng)接口讀取SD卡的一些基本信息，如容量、扇區(qū)大小、FAT表及根目錄所在的啟始扇區(qū)等。通過獲得這些信息后，就可以找出SD卡是否有我們可以播放的音樂文件。若有音樂文件，微處理器將通過SPI總線方式讀出該文件的音頻信息，并將歌曲的碼流信息送入到VS1003芯片中，通過VS1003芯片解碼以及其內(nèi)含的高質(zhì)量的立體DAC和耳機(jī)驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)MP3歌曲的播放功能。在觸摸鍵的控制下

10、，通過LCD3310中菜單選項(xiàng)的選擇，實(shí)現(xiàn)對歌曲選擇及音量控制等功能;在播放的同時， LCD3310上顯示的信息除歌曲名稱信息外，還包括進(jìn)度和音量等信息。由于SPI1 讀取SD 卡文件的速度遠(yuǎn)超過VS1003 播放數(shù)據(jù)流的速度，因此VS1003 在播放來自SPI2 的數(shù)據(jù)流期間，SPI1 能從SD 卡中讀取下次播放所需的數(shù)據(jù)，不會產(chǎn)生聲音不連續(xù)的情況。由于使用了2 個SPI 接口，相互之間無干擾，且提高了文件系統(tǒng)的效率，因此本系統(tǒng)能得到非常高品質(zhì)的音樂。如圖6是MP3播放器的軟件系統(tǒng)流程圖。下面介紹軟件的核心模塊。(1)SD 模塊SD 模塊主要提供SD 卡驅(qū)動以及對FAT 文件系統(tǒng)操作的函數(shù)，

11、FAT 文件系統(tǒng)支持長文件名。該模塊主要含有2 個文件msd.c 和fat16.c 。下面分別介紹其主要函數(shù)的功能。（1） msd.c該文件用于提供SD 卡的驅(qū)動，主要包括以下函數(shù)。SPI_ Config : 配置與SD 卡相連接的SPI1 及相關(guān)GPIO。MSD_Init :初始化SD 卡通信。Get_Medium_Characteristics :獲取SD 卡的容量和塊大小等相關(guān)信息。MSD_GoIdleState :令SD 卡處于空閑態(tài)。MSD_SendCmd :向SD 卡發(fā)送命令。MSD_GetResponse :從SD 卡獲取響應(yīng)。MSD_GetStatus :獲取SD 卡的狀態(tài)。M

12、SD_WriteBlock :向SD 卡寫入1 個塊的數(shù)據(jù)。MSD_ReadBlock :從SD 卡讀取1 個塊的數(shù)據(jù)。以下是函數(shù)MSD_ReadBlock 的實(shí)現(xiàn)：u8 MSD_ ReadBlock ( u8 * pBuffer ， u32 ReadAddr ， u16 NumByte ToRead) u32 i = 0 ;u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;MSD_CS_LOW() ; / / 拉低片選信號，選中SD 卡MSD_SendCmd (MSD_READ_ SIN GL E_BLOCK， ReadAddr ，0xFF) ; / / 發(fā)送讀取塊命令/ /

13、 檢測SD 卡是否有返回信息，若是則返回0x00if ( !MSD_GetResponse (MSD_RESPONSE_NO_ERROR) ) if ( !MSD_ GetResponse (MSD_ START_DA TA_ SIN GL E_BLOCK_READ) ) / / 等待數(shù)據(jù)令牌，標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸開始for (i = 0 ; i < NumByte ToRead ; i + + ) / / 讀取數(shù)據(jù)* pBuffer = MSD_ReadByte() ; / / 緩存收到的數(shù)據(jù)圖6 軟件系統(tǒng)流程圖pBuffer + + ; / / 緩存指針后移rvalue = MSD_RESP

14、ONSE_NO_ERROR ;/ / 修改rvalue 的值為成功MSD_CS_HIGH() ; / / 拉高片選信號，禁用SD 卡MSD_WriteByte(DUMMY) ; / / 寫無效字節(jié)，傳輸結(jié)束return rvalue ; / / 返回(2)fat16. c該文件提供對FAT16 文件系統(tǒng)的支持，主要包含以下函數(shù)。ReadMBR :讀取MBR 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。ReadBPB :讀取BPB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。ReadFAT :讀取文件分配表指定項(xiàng)。ReadBlock :讀取SD 卡的一個扇區(qū)。FAT_Init :獲取FAT16 文件系統(tǒng)的基本信息。DirStartSec :獲取根目錄的開始扇區(qū)號

15、。DataStartSec :獲取數(shù)據(jù)區(qū)的開始扇區(qū)號。ClusConvLBA :獲取一個簇的開始扇區(qū)號。LBAConvClus :轉(zhuǎn)換扇區(qū)號與簇號之間的關(guān)系。Get FileName :獲取指定文件的首扇區(qū)號。ListDate Time :列出文件或子目錄創(chuàng)建的時間日期。SearchFoler :在指定范圍內(nèi)查找文件或子目錄。ListDir :列出指定范圍內(nèi)的文件或子目錄及相關(guān)信息。FAT_FileOpen :打開指定文件。FAT_FileRead :讀取文件數(shù)據(jù)。(2)VS1003模塊VS1003 模塊主要提供對解碼芯片VS1003 的驅(qū)動，為應(yīng)用層播放音頻數(shù)據(jù)、控制音量聲道等提供基本接口。

16、該模塊主要含文件vs1003. c 。其主要函數(shù)的功能如下。vs1003. c 文件主要提供VS1003 芯片的驅(qū)動，包含以下幾個主要函數(shù)。VS1003_Config :配置STM32 與VS1003 連接的相關(guān)引腳，包括SPI2 、PA0 、PA1 、PA2 、PA3 。SPIGetChar :通過SPI 從VS1003 讀取1 個字節(jié)。SPIPutChar :通過SPI 向VS1003 寫入1 個字節(jié)。如果是MP3/ WMA 數(shù)據(jù)流，則VS1003 將開始解碼并播放。Mp3ReadRegister :讀取VS1003 寄存器的值。Mp3WriteRegister :寫VS1003 寄存器。

17、Mp3Reset :VS1003 復(fù)位，包括軟件復(fù)位和硬件復(fù)位。Mp3SoftReset :VS1003 軟件復(fù)位，設(shè)置時鐘、采樣率、重音、音量、立體聲等參數(shù)，一般在2 首樂曲之間需要一次軟件復(fù)位。VsSine Test : 播放正弦聲波， 用于測試VS1003 和STM32 的連接是否完好。以下是VS1003音頻解碼芯片初始化的部分代碼:void init_vs1003()vs1003_dir|=0X2C;VS1003_xResetDIR |=BIT5;printfs(“n-hard_reset-n”);hard_reset; /硬件復(fù)位delay_ms(10);sotf_send_bit2

18、(0XFF);hard_set;sotf_send_bit2(0XFF);Wait_Vs1003_DREQ();printfs(“n-soft_reset_vs1003-n”);soft_reset_vs1003();printfs(“n -vs1003initok-n”);(3)圖形人機(jī)交互模塊（觸摸屏支持庫的安裝）網(wǎng)絡(luò)MP3播放器搭載了一塊觸摸屏作為系統(tǒng)硬件的控制模塊，有了觸摸屏的支持，用戶就可以通過點(diǎn)擊圖形人機(jī)交互界面中的窗體控件對播放器進(jìn)行管理。在設(shè)計(jì)播放器的圖形人機(jī)交互界面之前，還需要一層應(yīng)用程序庫封裝系統(tǒng)對底層觸摸屏驅(qū)動的操作，將觸摸控制以一個統(tǒng)一的接口提供給上層GUI應(yīng)用程序使用。該設(shè)計(jì)使用了tslib應(yīng)用程序庫來封裝圖形用戶界面對底層觸摸屏的操作。tslib是一個開源的觸摸屏支持庫，它作為觸摸屏驅(qū)動的適配層，為不同的觸摸屏提供了一個統(tǒng)一的接口。tslib