基于LPC932A1的SD卡MP3播放器設(shè)計

肖啟洋，方 元

（南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093）

MP3 是 MPEG-1 音 頻 III（layer III）的 簡 稱 ，MP3 標(biāo)準(zhǔn)用盡可能低的碼流實現(xiàn)CD音質(zhì)的聲音而不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)損失。低數(shù)據(jù)量和高播放品質(zhì)的優(yōu)點使其成為音樂存儲、數(shù)字廣播、網(wǎng)上音樂傳輸?shù)闹饕绞?。從第一款MP3 MPMan10誕生到現(xiàn)在已經(jīng)十幾年了。十幾年來，MP3隨身聽以無可比擬的優(yōu)勢，逐漸成為傳統(tǒng)卡帶式隨身聽、CD隨身聽、MD隨身聽之后市場新的競爭者甚至是終結(jié)者[1]。但是目前市面上的MP3播放器的內(nèi)存已經(jīng)固定，用戶只能被動地選擇容量大小，而不能根據(jù)自己的實際需求使用可調(diào)的內(nèi)存容量，例如內(nèi)存容量不夠使用時，只能去購買新的產(chǎn)品，造成各方面的浪費；況且隨著MP4和音樂手機(jī)的推出，MP3已經(jīng)受到很大沖擊。為此，本設(shè)計采用大容量、高速度、具有極大移動靈活性的SD卡作為MP3播放器的存儲介質(zhì)，實現(xiàn)MP3播放器的播放部分與存儲部分的分離，達(dá)到大容量存儲MP3播放器的目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要包括LPC932A1單片機(jī)最小系統(tǒng)、VS1003B音頻解碼模塊、SD卡讀寫模塊、4個LED燈指示模塊。本設(shè)計在電路板背面 MCU附近設(shè)計了大容量的 DataFlash芯片AT45DB161D的封裝，這部分屬于可選部分；只需焊上2～4 MB的Flash芯片，通過編程可實現(xiàn)固態(tài)介質(zhì)放音功能，此時就更加接近真正意義上的便攜式MP3播放器了。

操作時，將SD卡插入系統(tǒng)，系統(tǒng)上電時主動識別SD卡并由LED燈D1顯示系統(tǒng)自檢狀況，自檢通過時該指示燈亮。系統(tǒng)讀取SD卡上存儲的MP3文件并將其送入音頻解碼芯片VS1003B進(jìn)行解碼播放。在播放過程中，D3指示燈閃亮，每讀取一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)時，該指示燈的亮滅狀態(tài)改變一次，所以播放的音樂文件比特率越低，閃爍的頻率也越低。按鍵模塊可進(jìn)行上下曲選取和音量加減的操作。

2 硬件模塊的具體實現(xiàn)

2.1 LPC932A1單片機(jī)最小系統(tǒng)

LPC900系列單片機(jī)是PHILIPS公司面向小型控制領(lǐng)域推出的一類性價比極佳的控制器，此系列兼容MCS-51單片機(jī)，開發(fā)人員很容易掌握，開發(fā)工具和一些應(yīng)用例程也非常多；本播放器所用LPC932A1單片機(jī)采用高性能處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件[2]；LPC932A1的寬電壓和低功耗是本播放器選為主控MCU的主要因素之一，整機(jī)播放時功耗在80 mA以內(nèi)。

LPC932A1單片機(jī)最小系統(tǒng)是整體設(shè)計中最核心的部分，控制著系統(tǒng)各個子模塊之間的協(xié)調(diào)運行，其設(shè)計的成功與否直接關(guān)系到整個設(shè)計能否正常運行。最小系統(tǒng)包括穩(wěn)壓模塊、晶振電路、復(fù)位電路以及人機(jī)交互式按鍵輸入部分。電源開關(guān)接口為2.54間距的雙芯排針，便于外接電源開關(guān)。同時，用下載程序用的USB轉(zhuǎn)串口模塊也可以為整機(jī)供電。AMS1117-2.5V是系統(tǒng)穩(wěn)壓芯片，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的2.5 V電源?？紤]到MP3播放器的人機(jī)交互操作，本系統(tǒng)共用 6個按鍵（SW1～SW6），即復(fù)位、暫停/播放、下一曲、上一曲、音量+、音量-功能鍵。

2.2 音頻解碼模塊

VS1003是芬蘭VLSI公司生產(chǎn)的單芯片MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器。它包含一個高性能、低功耗的DSP處理器核VS_DSP，為用戶提供工作數(shù)據(jù)存儲器；5 KB的指令RAM和0.5 KB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，1個UART口；擁有1個高品質(zhì)可變采樣率的ADC，1個立體聲DAC以及一個耳機(jī)放大器和地線緩沖器[3]。VS1003B通過SPI總線與LPC932A1進(jìn)行命令及數(shù)據(jù)的傳輸，其接口電路如圖2所示。VS1003B主要通過SPI的3條數(shù)據(jù)線（串行輸入SO、串行輸出SI、SCLK）和4條控制線（片選輸入 XCS、數(shù)據(jù)片選端XDCS、數(shù)據(jù)請求DREQ、XRESET）實現(xiàn)與單片機(jī)的通信。

2.3 SD卡模塊

大小如一張郵票的SD卡 （Secure Digital Memory Card）是基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，擁有高記憶量、快速數(shù)據(jù)傳輸、極大的靈活性以及很好的安全性等特征，在便攜式裝置上廣泛使用，例如MP3、數(shù)碼相機(jī)和個人數(shù)碼助理（PDA）等[4]。

SD卡支持三種傳輸模式：SPI模式 （獨立序列輸入和序列輸出）、1位SD模式（獨立指令和數(shù)據(jù)通道，獨有的傳輸格式）、4位SD模式 （使用額外的針腳以及某些重新設(shè)置的針腳）。采用單片機(jī)對SD卡進(jìn)行讀寫時一般都采用SPI模式[5]。圖3為SD卡模塊（SPI模式）的接口電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計[6]

3.1 編程與程序下載說明

本設(shè)計考慮到串口（COM）不支持熱插拔及傳輸速率較低，且目前大部分便攜電腦已開始取消該接口的情況，增加了一個USB轉(zhuǎn)串口的模塊，選用PL-2303H轉(zhuǎn)換芯片使播放器使用通信口J9（標(biāo)準(zhǔn)的A型插座）與PC機(jī)相連，并可擔(dān)當(dāng)供電功能。要使用編程器在PC機(jī)上對LPC900系列單片機(jī)進(jìn)行編程，首先要在PC機(jī)上安裝好FlashMagic軟件，以燒寫LPC900系列各型號單片機(jī)。本系統(tǒng)的軟件在德國Keil公司推出的C51編輯器中的集成開發(fā)環(huán)境μ-Vision2進(jìn)行開發(fā)的，它具有強(qiáng)大的編譯、連接和調(diào)試功能[7]。

3.2 軟件功能分析

系統(tǒng)軟件中各模塊主要函數(shù)如圖4所示。其中，PlayMain（）是播放控制模塊，在這一部分特意增加了播放程序中加入跳轉(zhuǎn)到ISP程序區(qū)的按鍵處理模塊，以便程序的升級和維護(hù)；VS1003.c為播放器解碼驅(qū)動程序，并且控制器與VS1003B采用硬件SPI接口進(jìn)行通信；New_SD.c為播放器SD卡驅(qū)動程序，其中安排了初始化與讀扇區(qū)采用不同速度的底層硬件數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)；FileSys.c用于MP3播放器的文件系統(tǒng)，能以文件名或音樂文件的順序號來查找文件，非常適合于工程應(yīng)用，且能以定時器和狀態(tài)機(jī)來管理人機(jī)接口，相當(dāng)方便和實用。播放器的軟件流程圖如圖5所示。

圖4 軟件系統(tǒng)-函數(shù)結(jié)構(gòu)圖

圖5 MP3播放器軟件流程圖

3.3 SD卡模塊分析

本文將重點介紹設(shè)計中的SD卡模塊。本系統(tǒng)目前支持的SD卡文件系統(tǒng)格式為FAT12和FAT16，可使用1 MB～16 GB的SD卡作為歌曲存儲介質(zhì)。為了便于文件資料的分門別類存放，程序中約定所有的音樂文件存放在SD卡根目錄下的“播放音樂”子目錄下，其他類型的文件或文件夾可以任意放置。操作前，先在PC機(jī)上格式化SD卡并選取FAT格式，然后建立“播放音樂”的文件夾，接著就可以往里面拷貝文件了。

SD卡模塊（New_SD.c）主要提供 SD卡驅(qū)動以及部分對FAT文件系統(tǒng)操作的函數(shù)。New_SD.c文件主要包括以下函數(shù)：

SD_Init：將 SD卡設(shè)置成 SPI-模式；

SPI_ReadByte：通過 SPI總線低速讀取 1 B數(shù)據(jù)，用于初始化SD卡時使用；

SPI_TransferByte：通過 SPI總線發(fā)送 1 B數(shù)據(jù)，用于初始化SD卡；

SD_SPI_WriteByte：通過 SPI高速發(fā)送數(shù)據(jù)，用于 SD卡扇區(qū)讀過程中；

SD_SPI_ReadByte：從 SPI總線高速讀 1 B，用于從 SD卡讀數(shù)據(jù)；

Write_Command_SD_HighSpeed與 Write_Command_SD：向SD卡發(fā)送1 B的命令；

Read_OneSector_From_SDCard_To_SRAM：讀取SD卡里一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)；

SD_Read_Block是從SD卡中讀取一個塊的數(shù)據(jù)的函數(shù)，在此函數(shù)里，當(dāng)發(fā)送完讀取命令后，此時CPU有少量空閑時間，在等待SD卡準(zhǔn)備數(shù)據(jù)就緒，故執(zhí)行反轉(zhuǎn)指示燈的操作：c_LED_Busy=～c_LED_Busy。

使4個LED燈中的D3紅燈反轉(zhuǎn)，已達(dá)到閃爍的效果，非常有視覺上的感覺。

本著低成本、實用性強(qiáng)的原則，設(shè)計了一種解碼器與存儲器相分離的MP3播放器，可流暢地播放多種格式高音質(zhì)的MP3文件[8]。硬件方面，本播放器開發(fā)板在程序下載口擴(kuò)展了 TXD、RXD，SDA、SCL等信號線，可連接I2C設(shè)備和串行通信設(shè)備進(jìn)行測試；還預(yù)留了外接晶振的位置，可外接12 MHz的晶體提高處理速度；利用單片機(jī)控制DSP核的MP3解碼芯片VS103B來解碼MP3文件，解決了單片機(jī)的低速問題，便于播放控制；利用USB轉(zhuǎn)串口與PC機(jī)通信傳輸數(shù)據(jù)，速度快；支持熱拔插，便于MP3音樂文件的上傳下載；利用SD卡作為存儲介質(zhì)，容量大、易更換、體積小攜帶方便。軟件方面，程序中有進(jìn)入“指定文件夾”和“播放指定文件名”功能函數(shù)，非常適合于選段或拼音語音的應(yīng)用軟件開發(fā)。

[1]新浪數(shù)碼.[EB/OL].http：//tech.sina.com.cn/digi/2009-07-25/0034998509.shtml.200-07-25/2011-10-08.

[2]Philips Semiconductors.P89LPC932A1 product data sheet rev.02[Z].2005.

[3]VLSI.VS1003 Preliminary version 0.92[Z].2005.

[4]百度百科.SD卡.[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/2228.htm.2011-10-08.

[5]楊善林，付超，馬溪駿.基于NANDFlash控制結(jié)構(gòu)復(fù)用的嵌入式存儲系統(tǒng)研究 [J].儀器儀體表學(xué)報，2006，27（8）：845-851.

[6]王宇炎，李明偉.基于C51單片機(jī)的MP3播放器設(shè)計[J].電子技術(shù)，2009（10）：29-30.

[7]徐愛鈞，彭秀華.Keil Cx5151 V7.0單片機(jī)高級語言編程與 μ Vision2應(yīng)用實踐（第 2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：136.

[8]洪家平.基于 VS1003解碼器的 MP3播放器設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用，2010（11）：53-56.