基于嵌入式系統(tǒng)的MP3播放器

司夏巖吳先平宋丹

摘 要：以LPC1768為核心控制器，利用其UDA1380音頻解碼模塊，加上外接的SD卡存儲器，在實(shí)現(xiàn)U盤功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了MP3播放器的功能。在硬件設(shè)計(jì)上采用播放單元與存儲單元分離的辦法，增加了存儲容量，解決了MP3播放器存儲容量受限的問題，極大地方便了應(yīng)用；使用觸控技術(shù)，具有友好的人機(jī)界面。在軟件設(shè)計(jì)上使用MP3軟解碼方式，以方便該軟件升級，也節(jié)省了硬件成本。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：LPC1768；UDA1380；SD卡；MP3軟解碼；觸控技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162281

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011009803

0 引言

目前市場上銷售的MP3播放器種類繁多，功能更加豐富，外觀設(shè)計(jì)也更加個(gè)性化和人性化，但是，絕大多數(shù)現(xiàn)有的MP3播放器還是將存儲器與解碼器合為一體，存儲容量不能改變。這種MP3播放器具有輕便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來一些問題：一方面存儲容量不能擴(kuò)展，用戶只能被動選擇固定存儲容量的產(chǎn)品，不能根據(jù)個(gè)人需求選擇可變的存儲器，當(dāng)存儲器容量不能滿足要求時(shí)，只能重新購買新的產(chǎn)品，造成了資源的浪費(fèi)；另一方面也不利于MP3播放器在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

本系統(tǒng)將解碼器與存儲器進(jìn)行分離，SD卡就成為了擴(kuò)充存儲容量的首選。SD卡擁有高記憶容量、穩(wěn)定的性能、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性，憑借其大容量、小巧便攜等特點(diǎn)而倍受廣大消費(fèi)者的青睞。此外，本系統(tǒng)還使用了觸摸控制技術(shù)，通過控制顯示屏就可實(shí)現(xiàn)歌曲播放控制、系統(tǒng)設(shè)置、圖片瀏覽等功能。

1 總體方案

系統(tǒng)總體方案的選擇包括：文件系統(tǒng)[1]的選擇、SD卡模式選擇、I2S音頻輸出方式選擇、MP3軟件解碼庫選擇。

本系統(tǒng)的MP3播放器將SD卡作為無內(nèi)置的存儲介質(zhì)，將LPC1768芯片作為主控制器，當(dāng)插入SD卡時(shí)，系統(tǒng)能自動識別SD卡，并讀取SD卡上存儲的MP3文件，將讀取的MP3文件送入內(nèi)存用解壓算法解壓成WAV格式音頻文件，最后將解壓的WAV文件送入音頻解碼芯片UDA1380進(jìn)行解碼并播放。支持播放MP3、WAV音頻文件，在觸摸屏按鍵控制下，可控制歌曲播放、暫停、上一首、下一首、音量增減等；串口屏可以顯示歌曲信息、當(dāng)前播放進(jìn)度、曲目列表等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由5個(gè)模塊組成： LPC1768微控制器、UDA1380解碼模塊、存儲模塊SD卡、USB接口和串口屏ZTM480272S43。

2.1 微控制器模塊

核心處理器采用NXP公司的LPC1768[2]，它是NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器LPC17XX 系列中的一員，具有高性價(jià)比、低功耗的特點(diǎn)，用于處理要求低功耗和高度集成的嵌入式應(yīng)用。LPC1768控制器主頻率高達(dá)100MHz，采用哈佛結(jié)構(gòu)和3級流水線，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線，還包含一個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。另外LPC1768控制器還具有高度集成化的特點(diǎn)，極大減小了芯片面積，豐富的外設(shè)資源，保證了應(yīng)用的可靠性和設(shè)計(jì)的便利性。

2.2 SD卡模塊

SD卡是一種大容量、體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可熱插拔、訪問協(xié)議簡單的存儲卡。SD卡可以采用SD總線訪問[3]，也可以采用SPI總線訪問。如圖2所示，SD卡的CS、SCK、MOS I、MISO直接連接到SD卡座的相應(yīng)接口，其中SPI[4]的兩個(gè)數(shù)據(jù)線MISOI、MOS分別連接上拉電阻，目的在于實(shí)現(xiàn)本電路可以與MMC卡的接口兼容。處于SPI模式時(shí)將沒有使用的信號線DAT1和DATA2分別連接下拉電阻。

2.3 串口屏模塊

ZTM480272S43系列串口屏擁有寬屏幕、高亮度、低功耗的優(yōu)越性能，且使用簡單、操作方便，是顯示屏終端的最佳選擇之一。ZTM480272S43系列串口屏集4.3寸觸摸真彩屏、簡易串口指令控制功能于一身，內(nèi)置中英字庫，支持大容量存儲圖片數(shù)據(jù)，為用戶提供更為多樣性、實(shí)用性的顯示終端平臺。

2.4 USB硬件接口

通用串行總線（USB）為4線總線，支持一個(gè)主機(jī)與一個(gè)或多個(gè)外設(shè)之間的通信。主控制器通過一個(gè)基于令牌的協(xié)議為連接的設(shè)備分配USB帶寬。USB總線支持設(shè)備的熱插拔與動態(tài)配置。主控制器啟動所有的事務(wù)處理。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的USB設(shè)備控制器使能與USB主控制器之間的全速（12Mb/s）數(shù)據(jù)交換。

2.5 UDA1380模塊

UDA1380是Philips公司的一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用型立體聲音頻編碼解碼器[5]，用于實(shí)現(xiàn)模擬音頻信號的輸入采集（音頻AD）和數(shù)字音頻信號的模擬輸出（音頻DA），并通過I2S數(shù)字音頻接口，實(shí)現(xiàn)音頻信號的數(shù)字化處理。具有低功耗、低電壓、高保真、寬動態(tài)范圍和低失真的高品質(zhì)特性，廣泛應(yīng)用于便攜式多媒體立體聲音響設(shè)備、筆記本電腦、手機(jī)及計(jì)算機(jī)音頻信號處理[6]。

LPC1700系列微處理器與UDA1380芯片通過L3總線接口完成以下控制功能：芯片復(fù)位、電源控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換的增益開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換的極性控制、倍速錄音控制、靜音控制、音量控制、高低音控制、麥克風(fēng)靈敏度控制及數(shù)字AGC自動增益控制，通過I2S接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3為UDA130硬件連接原理圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C51語言編寫，源程序分6個(gè)部分，即：SD卡驅(qū)動、FatFs文件系統(tǒng)、MP3軟解碼、I2S總線驅(qū)動、串口屏驅(qū)動、USB Device驅(qū)動[7]。其系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)調(diào)試完成后，可以成功將LPC1768驅(qū)動成USB從設(shè)備，并通過SPI總線將SD卡配置成移動存儲設(shè)備，將電腦中的文件保存到SD卡中，圖5為USB設(shè)備連接界面；可成功從SD卡中讀取MP3音頻文件，送入CPU解碼，然后再將解碼后的WAV文件通過UDA1380解碼芯片播放出來，圖6為音樂播放界面。此外，還添加了圖片瀏覽、MP3設(shè)置等功能，圖7為該系統(tǒng)主界面。

5 結(jié)語

經(jīng)過對系統(tǒng)的反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以安全可靠地運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)如下：①可以實(shí)現(xiàn)大容量存儲，必要時(shí)可以更換任意大小的SD卡；②可以作為普通U盤使用；③系統(tǒng)采用MP3軟件解碼技術(shù)，方便進(jìn)行軟件升級并降低硬件成本；④采用了雙緩沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)解碼播放；⑤使用了觸控技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。缺點(diǎn)如下：①作為U盤使用時(shí)，SD卡采用的是SPI總線，讀寫速度慢；②采用MP3軟解碼占用大量的CPU內(nèi)存。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊明極，陳方具，吳學(xué)君.嵌入式系統(tǒng)中SD卡的FAT32文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù)，2010，34（4）：3639.

[2] 周立功.深入淺出出CortexM3——LPC1700[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2011.

[3] 張恒.基于AT89S52和FAT16的SD卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（8）：5358.

[4] 劉燕，黃曉革.基于SPI總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù)，2008，32（9）：2325.

[5] 李寧，熊剛，徐良平.基于CortexM3的MP3播放器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（2）：4860.

[6] 孫天亮，陳偉元，王豪才.基于ARM核的音頻編解碼器單器件系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001（10）：6871.

[7] 劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與驅(qū)動程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：孫 娟）