嵌入式MP3播放器的设计

嵌入式MP3播放器的设计1系统概述本文采用STM32系列微控制器，结合解码芯片VS1003、SD卡、LCD等外围设备设计并实现了MP3播放器。其主要功能有:播放VS1003支持的所有音频文件，如MP3、WMA、WAV文件，且音质非常好；通过触摸屏实现按键功能，控制播放上一首/下一首、音量增减等；通过LCD显示歌曲名字和播放状态；本系统还实现了读卡器功能，PC机可通过USB接口直接对开发板上的SD卡进行读写操作，以方便拷贝音频文件。MP3播放过程是STM32通过SPI1接口将数据从SD卡中取出，然后通过SPI2接口送至解码芯VS1003解码播放。这里解码模块单独使用一个SPI接口，以减小干扰和噪声、提高音质。2系统硬件设计方案本系统在硬件上分为6个模块:微控制器STM32F103、解码模块VS1003、存储模块SD卡、触摸屏、USB接口和显示屏LCD。系统硬件框架如图5所示。PA3PB13PB14PB15PA1PA2PA0PE3PA7PA5PA6PC12DREQSCLKSOSICSDCSRESETCD/DAT3CMDCLKDATOWPUSBLCD触摸屏VS1003SD卡STM32图5系统硬件框架图2.1存储模块设计SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。SD卡支持两种总线方式:SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，而SPI方式采用4线制，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。可用不同的初始化方式使SD卡工作于SD方式或SPI方式。在本设计中，音频数据MP3文件是以SD卡为载体。所以在电路设计中必须含有读取SD卡模块。该系统使用STM32内部接口SPI1与SD卡进行通信，下面介绍其引脚连接情况。PE3:低电平有效，连接到SD卡的片选引脚CD/DAT3。SPI在和SD卡进行通信时，需要将PE3拉低才能对SD卡进行操作。PA7:映射为STM32内部接口SPI1的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，SD卡是设备。数据流的传输方向是从STM32传输给SD卡。该信号线用于传输一些控制命令来完成SD卡的操作，如读、写等。PA5:已连接到STM32内部接口SPI1的时钟(SCLK)信号线。可设置SPI的时钟频率来调整读取SD卡数据的快慢。PA6:已连接到STM32内部接口SPI1的主输入从输出(MISO)信号线。数据的传输方向是从SD卡传输给STM32，主要返回SD卡的一些状态、内部寄存器值等。PC12:用于检测SD卡是否完全插入。当SD卡完全插入时，PC12为低电平，否则为高电平。2．2音频解码模块设计音频解码模块完成MCU从SD卡里读取的数字MP3音频数据流进行解析、并转化成模拟信号进行输出。在这里，系统使用VS1003音频解码芯片来实现音乐数据流的解析。VS1003是由芬兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA音频解码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP，5K的指令ROM，0.5K的数据RAM，串行的控制和数据输入接口，4个通用I/O口，一个UART口，同时片内带有一个可变采样速率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器接口。VS1003与核心控制器MSP430F149的数据通信是通过SPI总线方式进行的。VS1003主要通过串行命令接口(SCI)和串行数据接口(SDI)来接收MSP430F149控制器的控制命令和MP3的数据。通过XCS、XDCS引脚的置高、置低来确认是哪一个接口处于传送状态。对于VS1003芯片的功能控制，如初始化、软复位、暂停、音量控制、播放时间的读取等，均是通过SCI写入到特定寄存器的内容来实现的。两条SCI指令之间要通过DREQ引脚信号判断上次处理是否完成。该系统使用STM32内部接口SPI2与VS1003进行通信，下面介绍其引脚连接情况。PA3：VS1003的中断请求引脚。当VS1003内部数据已处理完毕，需要新的数据时，将DREQ拉高。STM32根据这个信号来给VS1003发送新的数据流。PB13:已连接到STM32内部接口SPI2的时钟(SCLK)信号线。PB14:已连接到STM32内部接口SPI2的主输入从输出(MISO)信号线。这里STM32是主设备，VS1003是从设备。数据流的传输方向是从VS1003传输给STM32。主要用于读取VS1003的一些状态和内部寄存器值，比如寄存器测试返回的内部寄存器的值。PB15:已连接到STM32内部接口SPI2的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，VS1003是从设备。数据流方向是从STM32传输给VS1003，主要传输给VS1003一些控制命令、MP3/WMA数据流等。PA1:低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是控制信号。控制信号包括读写VS1003的内部寄存器、对VS1003进行初始化、设置左右声道音量等。PA2:低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是数据信号。比如在向VS1003传输MP3/WMA的数据流时需要拉低该引脚。PA0:低电平有效，拉低该引脚则硬件复位VS1003。2．3液晶显示模块设计LCD3310芯片是一个48行84列的液晶显示器主要模块。其内存带有低功耗PCD8544的CMOSLCD控制驱动器，串行输入速度最高可达4.0Mbits/S，而且所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，所以LCD3310是一款低功耗的液晶显示器。为了让LCD3310液晶能够显示4行12*12的汉字，系统开辟了一个6*84字节的缓冲区，要写液晶时，就不用直接写LCD3310的静态DDRAM了，可以先写系统为它开辟的数据缓冲区，最后再刷新修改的部分就可以显示出要显示的内容，LCD3310与主控制器是SPI接口方式。3系统软件设计方案3.1MP3播放器软件系统流程原理系统启动后，先初始化硬件模块。由MCU通过FAT32文件系统接口读取SD卡的一些基本信息，如容量、扇区大小、FAT表及根目录所在的启始扇区等。通过获得这些信息后，就可以找出SD卡是否有我们可以播放的音乐文件。若有音乐文件，微处理器将通过SPI总线方式读出该文件的音频信息，并将歌曲的码流信息送入到VS1003芯片中，通过VS1003芯片解码以及其内含的高质量的立体DAC和耳机驱动电路，实现MP3歌曲的播放功能。在触摸键的控制下，通过LCD3310中菜单选项的选择，实现对歌曲选择及音量控制等功能;在播放的同时，LCD3310上显示的信息除歌曲名称信息外，还包括进度和音量等信息。由于SPI1读取SD卡文件的速度远超过VS1003播放数据流的速度，因此VS1003在播放来自SPI2的数据流期间，SPI1能从SD卡中读取下次播放所需的数据，不会产生声音不连续的情况。由于使用了2个SPI接口，相互之间无干扰，且提高了文件系统的效率，因此本系统能得到非常高品质的音乐。如图6是MP3播放器的软件系统流程图。下面介绍软件的核心模块。(1)SD模块SD模块主要提供SD卡驱动以及对FAT文件系统操作的函数，FAT文件系统支持长文件名。该模块主要含有2个文件msd.c和fat16.c。下面分别介绍其主要函数的功能。（1）msd.c该文件用于提供SD卡的驱动，主要包括以下函数。SPI_Config:配置与SD卡相连接的SPI1及相关GPIO。MSD_Init:初始化SD卡通信。Get_Medium_Characteristics:获取SD卡的容量和块大小等相关信息。MSD_GoIdleState:令SD卡处于空闲态。MSD_SendCmd:向SD卡发送命令。MSD_GetResponse:从SD卡获取响应。MSD_GetStatus:获取SD卡的状态。MSD_WriteBlock:向SD卡写入1个块的数据。MSD_ReadBlock:从SD卡读取1个块的数据。以下是函数MSD_ReadBlock的实现：u8MSD_ReadBlock(u8*pBuffer，u32ReadAddr，u16NumByteToRead){u32i=0;u8rvalue=MSD_RESPONSE_FAILURE;MSD_CS_LOW();//拉低片选信号，选中SD卡MSD_SendCmd(MSD_READ_SINGLE_BLOCK，ReadAddr，0xFF);//发送读取块命令//检测SD卡是否有返回信息，若是则返回0x00if(!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR)){if(!MSD_GetResponse(MSD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ)){//等待数据令牌，标志数据传输开始for(i=0;iNumByteToRead;i++){//读取数据*pBuffer=MSD_ReadByte();//缓存收到的数据VS1003、中断、串行口、液晶、flash存储器、SD卡等初始化读SD卡的主引导记录解析文件系统从SD卡里读取MP3文件信息解析短文件名调用以GB2312编码的汉字驱动并显示有长文件名计算MP3数据流首簇地址读取一扇区的MP3数据流MP3数据流写入VS1003芯片读完一簇文件结束结束开始Unicode到GB2132转换计算下一簇地址YNYYNN图6软件系统流程图pBuffer++;//缓存指针后移}rvalue=MSD_RESPONSE_NO_ERROR;//修改rvalue的值为成功}}MSD_CS_HIGH();//拉高片选信号，禁用SD卡MSD_WriteByte(DUMMY);//写无效字节，传输结束returnrvalue;//返回}(2)fat16.c该文件提供对FAT16文件系统的支持，主要包含以下函数。ReadMBR:读取MBR数据结构。ReadBPB:读取BPB数据结构。ReadFAT:读取文件分配表指定项。ReadBlock:读取SD卡的一个扇区。FAT_Init:获取FAT16文件系统的基本信息。DirStartSec:获取根目录的开始扇区号。DataStartSec:获取数据区的开始扇区号。ClusConvLBA:获取一个簇的开始扇区号。LBAConvClus:转换扇区号与簇号之间的关系。GetFileName:获取指定文件的首扇区号。ListDateTime:列出文件或子目录创建的时间日期。SearchFoler:在指定范围内查找文件或子目录。ListDir:列出指定范围内的文件或子目录及相关信息。FAT_FileOpen:打开指定文件。FAT_FileRead:读取文件数据。(2)VS1003模块VS1003模块主要提供对解码芯片VS1003的驱动，为应用层播放音频数据、控制音量声道等提供基本接口。该模块主要含文件vs1003.c。其主要函数的功能如下。vs1003.c文件主要提供VS1003芯片的驱动，包含以下几个主要函数。VS1003_Config:配置STM32与VS1003连接的相关引脚，包括SPI2、PA0、PA1、PA2、PA3。SPIGetChar:通过SPI从VS1003读取1个字节。SPIPutChar:通过SPI向VS1003写入1个字节。如果是MP3/WMA数据流，则VS1003将开始解码并播放。Mp3ReadRegister:读取VS1003寄存器的值。Mp3WriteRegister:写VS1003寄存器。Mp3Reset:VS1003复位，包括软件复位和硬件复位。Mp3SoftReset:VS1003软件复位，设置时钟、采样率、重音、音量、立体声等参数，一般在2首乐曲之间需要一次软件复位。VsSineTest:播放正弦声波，用于测试VS1003和STM32的连接是否完好。以下是VS1003音频解码芯片初始化的部分代码:voidinit_vs1003(){vs1003_di