基于無(wú)線控制的音樂(lè)播放器設(shè)計(jì)

張秀再 杜蒙 陳彭鑫 吳華娟

摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線控制的音頻播放系統(tǒng)，該系統(tǒng)由無(wú)線通信模塊，SD卡模塊，MP3解碼模塊，TFT顯示模塊以及按鍵控制模塊構(gòu)成。系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)作為控制中心，客戶端通過(guò)檢測(cè)按鍵中斷將相應(yīng)控制信息傳送給無(wú)線發(fā)射模塊，服務(wù)端通過(guò)無(wú)線接收模塊接收控制信息，完成音樂(lè)播放，音量調(diào)節(jié)，歌曲切換等操作，并且通過(guò)TFT顯示屏對(duì)多媒體信息以及控制信息進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)除了具有功耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)以外，還兼具便攜、穩(wěn)定、可視性強(qiáng)等特性。

關(guān)鍵詞： STM32F103單片機(jī)； 無(wú)線控制； MP3解碼； TFT顯示

中圖分類號(hào)： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0111?04

Design of music player based on wireless control

ZHANG Xiuzai1， 2， 3， DU Meng1， CHEN Pengxin1， WU Huajuan1

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China；3. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： A music player system based on wireless control was designed. The system is composed of wireless communication module， SD card module， MP3 decoding module， TFT display module and keyboard control module. STM32F103 is used as the control center of the system. The client transmits the corresponding control information to the wireless transmitter module by detecting the interruption produced by key pressing， and the server?side receives the control information through the wireless receiving module to accomplish the functions of music playback， volume control and songs switch， and display the multimedia information and control information through the TFT display screen. The system has the advantages of low power consumption， low cost， and characteristics of portability， stability， strong visibility， etc.

Keywords： STM32F103； wireless control； MP3 decoding； TFT display

音樂(lè)播放器作為人類生活和娛樂(lè)不可或缺的一部分，其智能化發(fā)展是大勢(shì)所趨，其智能化控制更是智能家居的重要組成部分[1]。家居智能化首次作為概念被提出，是在20世紀(jì)的美國(guó)，而后在其他發(fā)達(dá)國(guó)家取得了快速的進(jìn)展，其中包括歐洲、日本等國(guó)[2]。在我國(guó)，由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀所致，家居智能化系統(tǒng)很晚才被引進(jìn)國(guó)內(nèi)，大約是在20世紀(jì)末期，但由于其發(fā)展速度飛快，時(shí)至今日，已存在相當(dāng)多的智能住宅以及智能小區(qū)[3?4]。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是為了解決音樂(lè)播放器的無(wú)線控制以及多媒體信息的實(shí)時(shí)顯示，其中最核心的部分是無(wú)線收發(fā)模塊的使用，MP3音頻解碼模塊的文件解碼功能以及對(duì)SD卡不同文件系統(tǒng)的支持[5]。本設(shè)計(jì)暫時(shí)支持FAT文件系統(tǒng)與NTFS文件系統(tǒng)，如果想支持更多的文件系統(tǒng)，則需要更加復(fù)雜的適配與裁剪[6]。本設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)提供音量調(diào)節(jié)，播放/暫停，歌曲切換，歌曲預(yù)覽，歌曲選擇等無(wú)線控制選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制SD卡內(nèi)音頻文件的播放以及其他多媒體文件的展示，并通過(guò)TFT彩色顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。同時(shí)，客戶端提供接入路由器的通信接口，以實(shí)現(xiàn)并入智能家居，為后續(xù)擴(kuò)展之用。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？蛻舳酥骺刂破鞅O(jiān)測(cè)控制按鍵的按下，按鍵采用中斷方式告知，主控芯片根據(jù)按鍵信息，生成相應(yīng)控制命令，發(fā)往無(wú)線發(fā)射模塊，無(wú)線發(fā)射模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為2.4 GHz無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)向服務(wù)端。

服務(wù)端設(shè)置無(wú)線接收模塊通過(guò)中斷方式接收控制信息，并對(duì)SD卡模塊，MP3模塊，以及TFT顯示屏進(jìn)行相應(yīng)初始化，當(dāng)控制信息到來(lái)時(shí)，主控芯片接收信息并解析，根據(jù)控制信息的內(nèi)容，執(zhí)行相應(yīng)音樂(lè)播放或多媒體數(shù)據(jù)展示的操作，并將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示在TFT屏幕上，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

考慮到本設(shè)計(jì)采用低功耗設(shè)計(jì)，且主控芯片的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓為3.3 V直流電壓，所以在核心板上接電的時(shí)候需要一個(gè)電源模塊將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，方便使用。本設(shè)計(jì)采用線性電源（LDO）LM1117?3.3產(chǎn)生3.3 V供電電壓為STM32F103供電，如圖2所示。為了提高系統(tǒng)的精確度，電源的濾波與隔離應(yīng)重點(diǎn)考慮。

2.2 主控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體（ST）官方公布的基于Cortex?M3內(nèi)核的STM32F103XX系列單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，外接晶振為32.768 MHz。Cortex?M3是ARM公司針對(duì)微控制器開發(fā)領(lǐng)域研發(fā)的一個(gè)系列， 屬于32位RISC高性能處理器，高速的時(shí)鐘頻率，豐富的外設(shè)和接口以及對(duì)中斷多級(jí)嵌套的支持，使其產(chǎn)生極高的代碼執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)處理響應(yīng)能力，在有限的存儲(chǔ)空間上展現(xiàn)著ARM內(nèi)核所帶來(lái)的極佳性能。而且其自帶的FSMC復(fù)用接口和SDIO接口，極有利于本設(shè)計(jì)高效快速的刷新TFT顯示屏，讀取音頻文件，節(jié)省系統(tǒng)時(shí)間，降低系統(tǒng)功耗。對(duì)于需要進(jìn)行大量浮點(diǎn)運(yùn)算或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，此款芯片是一個(gè)性價(jià)比極高的選擇。本設(shè)計(jì)主控制芯片電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)模塊采用nRF24L01，nRF24L01是一款單片收發(fā)芯片，既可以工作在發(fā)送模式，也可以處于接收模式，它工作于免費(fèi)的ISM頻段，工作頻率為2.4 GHz左右。此款無(wú)線收發(fā)模塊可通過(guò)SPI接口對(duì)其輸出功率和頻道選擇進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，極有利于降低系統(tǒng)功耗。芯片內(nèi)部的頻率發(fā)生器是無(wú)線發(fā)射的核心部分，是信號(hào)的源頭，除此之外，芯片內(nèi)部還包含各種功率放大器、調(diào)制器以及解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的發(fā)送和接收。

nRF24L01擁有20個(gè)管腳，內(nèi)部包含豐富的控制寄存器，外部管腳留有SPI通信接口，MCU可通過(guò)SPI接口對(duì)芯片內(nèi)部的各類寄存器按時(shí)序進(jìn)行初始化配置，其設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。

2.4 SD卡模塊電路設(shè)計(jì)

SD卡模塊用于提供SD以及Micro SD卡的硬件接口，同時(shí)為主控制器操作音樂(lè)、圖片等多媒體資源提供控制和數(shù)據(jù)傳輸接口。SD卡文件的讀寫是指主控制器通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口讀寫SD卡/TF卡中的數(shù)據(jù)。SD卡作為一種低電壓的FLASH存儲(chǔ)介質(zhì)，提供SDIO/SPI兩種通信接口。

對(duì)于SDIO總線，其顯著特點(diǎn)就是讀寫速度快，數(shù)據(jù)傳輸線多，但操作較為復(fù)雜，而對(duì)于SPI總線協(xié)議，它的數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較慢，占用的管腳較少，操作起來(lái)比較簡(jiǎn)便。在嵌入式系統(tǒng)中，為了集成化，數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)多采用SD卡和U盤，而且由于SD卡的體積和卡槽比U盤較小，所以SD卡在嵌入式系統(tǒng)中得到了更廣泛的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，主控制器采用SPI接口與SD卡模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具體的電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2.5 MP3音樂(lè)播放模塊

MP3音樂(lè)播放模塊采用VS1003B作為音頻文件的解碼芯片，VS1003B可以解碼播放MP3，WAV等常用音頻文件。而且它還提供音頻編碼功能，對(duì)麥克風(fēng)咪頭輸入或線路輸入的音頻信號(hào)，支持MP3和WAV音頻流編碼，提供高低音控制。低功耗也是該模塊的一大特色，該模塊與主控制器通過(guò)SPI總線進(jìn)行通信，主控制器將壓縮格式的音頻數(shù)據(jù)流傳入VS1003B解碼芯片，VS1003B解碼芯片進(jìn)行硬解碼后將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)輸出至EARPHONE接口，以供耳機(jī)或音箱進(jìn)行音樂(lè)的播放。其硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.6 TFT液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

為了達(dá)到更好的人機(jī)交互效果，本設(shè)計(jì)選擇了16位色深的TFT真彩液晶顯示屏。TFT液晶顯示模塊具有以下特性：高對(duì)比度、強(qiáng)烈的層次感、繽紛多彩的顏色、豐富的顯示內(nèi)容，極佳的人機(jī)交互效果。

TFT液晶顯示部分是本設(shè)計(jì)中最重要的人機(jī)交互接口，其主要職能是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)展示正在播放歌曲的相關(guān)信息、包括歌曲名、歌曲總時(shí)間、歌曲當(dāng)前進(jìn)度、音量大小以及本設(shè)計(jì)的標(biāo)題等。由于TFT模塊的電流消耗較大，為了避免供電電壓不足造成屏幕閃爍，此模塊需要與MCU模組分開供電，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，其硬件電路圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于無(wú)線控制的音樂(lè)播放器系統(tǒng)采用了STM32F103單片機(jī)作為控制中心，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。主程序流程如圖8所示，程序開始時(shí)，首先對(duì)MCU內(nèi)部各模塊進(jìn)行順序初始化，然后進(jìn)行按鍵控制模塊的中斷注冊(cè)和無(wú)線發(fā)送模塊的初始化操作。

通過(guò)監(jiān)聽控制按鍵的按下，觸發(fā)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送相應(yīng)控制信息到無(wú)線接收端。對(duì)于接收端，同樣要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作，涉及的模塊較多包括無(wú)線接收模塊、SD卡模塊、MP3播放模塊、TFT屏顯示模塊等。主控制器設(shè)置無(wú)線接收模塊以中斷方式接收控制信息，節(jié)省系統(tǒng)開支，當(dāng)控制信息到來(lái)時(shí)，將SD卡中文件讀入緩沖區(qū)，提取主要信息送到TFT模塊進(jìn)行顯示，并及時(shí)將文件傳送到MP3播放模塊進(jìn)行播放。當(dāng)有新的控制信息到來(lái)時(shí)，重復(fù)以上過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，應(yīng)盡量減少系統(tǒng)消耗，進(jìn)行代碼優(yōu)化。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放器的無(wú)線控制與動(dòng)態(tài)信息顯示，音樂(lè)播放整體效果良好。通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

（1） 環(huán)境測(cè)試：將該系統(tǒng)放置于復(fù)雜的無(wú)線通信環(huán)境中，此環(huán)境包含其他的2.4 GHz無(wú)線信號(hào)（頻道不同），將控制平臺(tái)放置于百米遠(yuǎn)處，仍能準(zhǔn)確無(wú)誤地執(zhí)行所有的無(wú)線控制操作（包括歌曲切換、音量調(diào)節(jié)等），整個(gè)系統(tǒng)工作良好，歌曲播放順暢，顯示無(wú)誤。

（2） 老化測(cè)試：將本設(shè)計(jì)連續(xù)開機(jī)工作3天，72 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果理想，設(shè)計(jì)可以連續(xù)正常工作72 h以上。

（3） 低功耗測(cè)試：將設(shè)計(jì)由固緯數(shù)控電源供電，觀測(cè)工作狀態(tài)時(shí)的電流大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為100 mA以下，此電流主要由TFT液晶所消耗。

對(duì)該系統(tǒng)從無(wú)線控制距離、播放流暢度、接收錯(cuò)誤率和響應(yīng)時(shí)間等幾個(gè)方面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放器的遠(yuǎn)程控制和音樂(lè)信息的動(dòng)態(tài)顯示。不僅如此，該系統(tǒng)還具有很高的穩(wěn)定性，在環(huán)境測(cè)試和老化測(cè)試中，都能準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行；更進(jìn)一步的是系統(tǒng)預(yù)留了上層接入智能家居的控制接口，為網(wǎng)絡(luò)控制奠定了基礎(chǔ)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉鋼.嵌入式MP3播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2] 張軒磊，竇維蓓，董明.面向SoC的數(shù)字音頻解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].電聲技術(shù)，2008，32（8）：72?76.

[3] 張濤，左謹(jǐn)平，馬華玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].電子技術(shù)，2010，47（3）：25?27.

[4] 李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（12）：79?81.

[5] 施建珍.無(wú)線控制的智能家居安保系統(tǒng)研究及應(yīng)用[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[6] 李亞彬.基于無(wú)線控制與無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.