基于STM32的嵌入式MP3播放器的研究

山東科技大學(xué) 張學(xué)慧 朱愛珍

1.引言

MP3是一種高質(zhì)量音樂壓縮標(biāo)準(zhǔn)，采用MP3壓縮的數(shù)據(jù)量可以縮小到1/12，音質(zhì)卻沒有多少損失。由于MP3音樂的較小數(shù)據(jù)量和高質(zhì)量的播放效果，使它很快成為一種集音頻播放、數(shù)據(jù)存儲為一身的數(shù)碼產(chǎn)品，并深受人們的喜愛。本文設(shè)計(jì)的MP3是基于ARM公司最新Cortex-M3內(nèi)核的STM32控制器，利用該處理器內(nèi)置的SPI接口對SD存儲卡進(jìn)行控制，并對MP3音頻文件進(jìn)行解碼實(shí)現(xiàn)MP3的播放。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能：播放VS1003支持的MP3、WMA等音頻文件，且具有歌詞同步功能；控制播放上一首/下一首，音量增減；通過LCD顯示音量圖標(biāo)和播放狀態(tài)等。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[1]

系統(tǒng)采用STM32為主控制器有不可或缺的優(yōu)勢，STM32系列是意法半導(dǎo)體基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。時(shí)鐘頻率72MHz，功耗36mA，是32位市場上性價(jià)比最高的產(chǎn)品。系統(tǒng)主要由控制模塊、電源模塊、音頻解碼模塊、SD卡模塊、人機(jī)交互模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作流程：STM32處理器讀取SD存儲卡里的MP3音樂文件數(shù)據(jù)，通過SPI傳輸至音頻解碼芯片經(jīng)過解碼轉(zhuǎn)換，再送至耳機(jī)聽筒。SPI總線控制音頻DAC芯片的參數(shù)實(shí)現(xiàn)音量控制等功能。使用人機(jī)交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)播放/暫停、上一曲/下一曲等控制功能和顯示播放狀態(tài)。

3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含控制器及各模塊芯片的選型和相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。

3.1 STM32控制器電路設(shè)計(jì)

STM32系列32位微控制器基于Cortex-M3內(nèi)核，旨在為MCU用戶提供新的開發(fā)自由度。它具有高性能、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)還具有高集成度和易于開發(fā)的特點(diǎn)，使該系列產(chǎn)品成為小型項(xiàng)目和作為完整平臺的理想選擇[2]。STM32的使用需要一個(gè)最小系統(tǒng)，包括晶振電路，復(fù)位電路。

1）晶振電路的設(shè)計(jì)：晶振電路用于向處理器提供工作時(shí)鐘。本系統(tǒng)使用無源晶振X1作為系統(tǒng)的主振蕩器，一個(gè)32.768kHz的晶振作為內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）振蕩器[3]。晶體振蕩器的連接如圖2所示。

晶振的負(fù)載電容應(yīng)當(dāng)按照要求選取，電容不正確可能導(dǎo)致晶振起振緩慢甚至不起振，這將影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）復(fù)位電路的設(shè)計(jì)：采用簡單的“RC＋按鍵”復(fù)位形式，該復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位[3]。上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，按鍵復(fù)位是通過復(fù)位端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的。

3.2 電源電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中硬件電路的輸入電源需要5V、3.3V和2.5V。對于5V電源輸入，本著設(shè)計(jì)簡單、有效的原則采用USB供電，而且還可以通過USB線直接對SD的文件進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)即插即用。

對于3.3V和2.5V電源輸入，這些電源要求的功率都不大，可以采用B1117-2.5和B1117-3.3穩(wěn)壓芯片來提供。3.3V的電源輸入如圖3所示，2.2V電源輸入與之類似。

3.3 音頻解碼電路的設(shè)計(jì)

圖2 晶振電路

圖3 3.3V電源輸入

由于使用了ARM處理器，MP3的解碼方法有兩種，一是通過ARM處理器軟解碼，通過對MP3數(shù)據(jù)格式的解析實(shí)現(xiàn)MP3播放。二是通過外部解碼芯片解碼。前者對處理器運(yùn)算要求高，在解碼高碼率的MP3時(shí)，STM32的處理能力不足，得不到好的解碼效果，而且STM32解碼之后還需要外部的DAC來做音頻輸出，所以采用后者。

MP3解碼芯片選擇的是由芬蘭VLSI公司出品的一款單芯片MP3/WMA音頻解碼芯片VS1003，其擁有一個(gè)高性能低功耗的DSP處理器核，5K的指令ROM，0.5K的數(shù)據(jù)RAM，串行控制和數(shù)據(jù)輸入接口，同時(shí)片內(nèi)帶有一個(gè)可變采樣速率的ADC、一個(gè)立體聲DAC以及音頻耳機(jī)放大器接口，還可以調(diào)節(jié)音量高低。其電路設(shè)計(jì)及與主控制器的連接如圖4所示。

VS1003與處理器的數(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STM32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(gè)接口處于傳送狀態(tài)。對VS1003芯片的功能控制，如初始化、暫停、音量控制的讀取等，均是通過SCI寫入到特定寄存器來實(shí)現(xiàn)的。

圖4 音頻解碼電路

圖6 人機(jī)交互設(shè)備電路

3.4 SD卡模塊

SD卡在日常生活與工作中使用非常廣泛，已經(jīng)成為最為通用的數(shù)據(jù)存儲卡。在MP3、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備上也都采用SD卡作為存儲設(shè)備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用，是因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、存儲容量大、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，使用單片機(jī)對SD卡進(jìn)行讀寫時(shí)一般都采用SPI模式。因此設(shè)計(jì)中使用STM32內(nèi)部接口SPI1與SD卡進(jìn)行通信[4]，圖5是其引腳連接情況。

3.5 人機(jī)交互設(shè)備模塊

人機(jī)交互設(shè)備包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，對于輸出設(shè)備，采用彩色液晶屏，這里選擇一款2.8寸的TFT液晶屏ILI9341，其分辨率為320*240，工作模式為8位數(shù)據(jù)模式，與MCU的通訊所需IO口較少，速度也較快。輸入設(shè)備為了使控制方便，人性化，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)。觸摸屏的控制芯片選擇由TI公司生產(chǎn)的12位四線觸摸屏控制芯片ADS7843，因?yàn)樵撔酒木仁?2Bit，有很高的分辨率，有利于屏幕控制精度的提高。LCD與主控制器是SPI接口方式。其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺

Cortex-M3是ARM公司推出的最新的針對控制器應(yīng)用的內(nèi)核，提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高性能和低成本的解決方案。但目前能夠支持Cortex-M3架構(gòu)的開發(fā)工具很少，而MDK是ARM公司推出目前性價(jià)比最高的支持Cortex-M3處理器的開發(fā)工具。故本次設(shè)計(jì)的軟件平臺是建立在MDKμVision3之上的[5]。

4.2 軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1）FAT文件系統(tǒng)：MP3播放器支持FAT文件系統(tǒng)，以便識別出SD卡上的音樂文件，需要文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)的原理，協(xié)議，格式等。根據(jù)對文件系統(tǒng)的掌握，通過跑在RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的MP3驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，將存儲在SD卡上MP3數(shù)據(jù)文件讀取出來，并進(jìn)行正常的播放。

2）GUI圖形用戶界面：系統(tǒng)中的MP3界面是基于GUI圖形界面，采用圖形方式顯示MP3操作用戶界面在視覺上更易于接受?？梢酝ㄟ^窗體、菜單、按鍵等方式來方便的進(jìn)行操作。

4.3 軟件模塊化設(shè)計(jì)

從整個(gè)系統(tǒng)來說，按其與硬件是否直接相關(guān)，可以把軟件分為兩大部分：

（1）與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件子系統(tǒng)，包括LCD驅(qū)動(dòng)模塊、觸摸屏驅(qū)動(dòng)模塊、SD卡驅(qū)動(dòng)模塊、VS1003驅(qū)動(dòng)模塊。

圖5 SD卡連接

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

（2）與硬件無關(guān)的應(yīng)用軟件子系統(tǒng)，包括FAT文件系統(tǒng)管理模塊和音樂播放模塊。主程序的設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先初始化STM32處理器，再初始化各硬件模塊，完成底層驅(qū)動(dòng)。由MCU通過FAT文件系統(tǒng)接口讀取SD卡的一些基本信息，如容量、FAT表及根目錄所在的啟始扇區(qū)等。通過獲得這些信息，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，處理器將通過SPI總線方式讀出該文件的音頻信息，并將歌曲的數(shù)據(jù)流信息送入到解碼芯片中，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(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)MP3歌曲的播放。在觸摸屏的控制下，通過LCD中菜單選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)歌曲選擇和音量控制。

5.總結(jié)

本文提出了一種基于STM32的嵌入式MP3播放器的設(shè)計(jì)方案，硬件上重點(diǎn)介紹了各模塊的電路設(shè)計(jì)，軟件上介紹了需要的嵌入式知識和主程序的流程。該方案對于需要嵌入式媒體播放器的工業(yè)控制、車載播放器等行業(yè)具有一定的研究價(jià)值。方案設(shè)計(jì)中涉及到很多內(nèi)容，包括芯片的選型與設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植，F(xiàn)AT文件管理系統(tǒng)，GUI圖形用戶界面，對嵌入式的設(shè)計(jì)具有一定的參考性。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，可靠性高，具有很高的性價(jià)比。

[1]程磊.基于STM32的MP3播放器的設(shè)計(jì)[J].技術(shù)創(chuàng)新,2011(12).

[2]王永虹,徐煒,郝立平等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3]江力,蔡駿等.單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2006.

[4]潘浩.嵌入式MP3播放系統(tǒng)研究[D].北方工業(yè)大學(xué),2008.

[5]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008.