基于STM 32的多功能MP3播放器設(shè)計(jì)

杜建銘，師文慶

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

1986年，卡爾因茨·布蘭登堡提出：通過(guò)編碼重組技術(shù)大幅度壓縮音頻文件，在播放時(shí)使用專門(mén)的解碼技術(shù)進(jìn)行還原，以此達(dá)到減小音樂(lè)文件大小的同時(shí)保持音質(zhì)的目的。自此之后，播放器不斷地改進(jìn)、完善。1990年，布蘭登堡得到一家音頻研究機(jī)構(gòu)的幫助，為他提供了一個(gè)研究小組。在同年，布蘭登堡在實(shí)際的測(cè)試中把CD音質(zhì)的音樂(lè)文件壓縮到原來(lái)的1∕12，并且順利地解碼播放，MP3技術(shù)就是由此而來(lái)。

MP3音樂(lè)播放器雖然已經(jīng)誕生30多年，但仍然能在消費(fèi)類電子產(chǎn)品有一席之位，原因在于其設(shè)計(jì)理念一直在變化，從而能夠持續(xù)地?zé)òl(fā)生機(jī)與活力。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的MP3播放器，能夠播放若干種格式的音樂(lè)；所有的信息都直觀地顯示在一塊鏡面顯示屏上，靈敏觸摸屏取代了按鍵控制，大大簡(jiǎn)便了用戶的操作；不僅如此，由于消費(fèi)者愛(ài)好需要也十分廣泛，廠家往往費(fèi)盡心思地為產(chǎn)品添加更多實(shí)用功能來(lái)增加產(chǎn)品的賣點(diǎn)，例如計(jì)步、藍(lán)牙、收音機(jī)、電子書(shū)等功能。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)一款觸屏交互，且多功能的MP3音樂(lè)播放器不僅有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，并且是非常符合市場(chǎng)要求的。

基于以上描述，本設(shè)計(jì)選用STM32F103ZET6微處理器作為主控[1-2]，音樂(lè)解碼部分使用VS1053B，提供的硬件解碼功能，LCD顯示與電阻觸屏作為本設(shè)計(jì)的主要交互方式，要實(shí)現(xiàn)的主要功能有歌曲的切換、暫停∕播放、音量條的顯示及控制、播放進(jìn)度的顯示及控制，在此基礎(chǔ)上添加多種實(shí)用功能，設(shè)計(jì)一款多功能MP3播放器，讓用戶在享受音樂(lè)之余還能體驗(yàn)額外功能帶來(lái)的便利性。

1 系統(tǒng)總體方案概述

1.1 音頻的解碼方式

一般的音樂(lè)文件通常是經(jīng)過(guò)編碼壓縮的，所以播放的時(shí)候需進(jìn)行解碼才能輸出動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)。常規(guī)的解碼方式有軟解碼和硬解碼。

（1）軟解碼

軟解碼就是把一套解碼算法交給CPU去運(yùn)算從而得到音頻數(shù)據(jù)，對(duì)CPU的運(yùn)算速度有較高的要求[3]。

（2）硬解碼

硬解碼這種方式將解碼工作交給專門(mén)的解碼芯片，目前市面上的MP3播放器采用的大多數(shù)是硬解碼[4]。

在本設(shè)計(jì)中選擇了硬解碼，STM32僅需完成文件讀寫(xiě)并分批量地輸送數(shù)據(jù)到解碼芯片上，運(yùn)算量較小，不需移植第三方庫(kù)。

1.2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)由電阻觸摸屏、音頻解碼模塊、溫度傳感器、藍(lán)牙模塊、外部Flash存儲(chǔ)芯片、SD卡等模塊組成。利用溫度傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度的檢測(cè)；外部Flash存儲(chǔ)芯片用于保存字庫(kù)信息；藍(lán)牙模塊可供手機(jī)連接，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送指令來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制MP3播放器。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

STM32F103ZET6工作頻率為72 MHz，是基于意法半導(dǎo)體公司專為低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用所設(shè)計(jì)的ARM架構(gòu)32位Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)置512 K字節(jié)的閃存，64 k字節(jié)的SRAM作為運(yùn)行內(nèi)存，還具有豐富的通信接口，可以滿足本設(shè)計(jì)的需求[5]。

2.2 音頻解碼模塊

本設(shè)計(jì)采用VS1053B作為硬件解碼方案，是通過(guò)SPI接口來(lái)接收音頻數(shù)據(jù)的，模塊上的RST引腳提供了硬件復(fù)位功能，在歌曲切換前進(jìn)行硬復(fù)位可減少切換歌曲時(shí)的雜音。VS1053B解碼完成的數(shù)據(jù)由其內(nèi)置的DAC將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，而后輸出到VS1053B的LEFT與RIGHT引腳上，可以直接驅(qū)動(dòng)耳機(jī)或是外接功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器[6]。

2.3 溫度傳感器

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，能夠?qū)h(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，是一種單總線接口的器件，只需一根數(shù)據(jù)線與主控的IO端連接口就可以實(shí)現(xiàn)通信，直流工作電壓范圍3.0~5.5 V，當(dāng)測(cè)溫范圍在-10℃~+85℃，測(cè)溫誤差僅在±0.5℃，可以給本系統(tǒng)提供較精確的環(huán)境測(cè)溫功能[7]。

2.4 藍(lán)牙模塊

CC2541串口藍(lán)牙模塊，可直接與STM32的USART接口相連。令藍(lán)牙模塊的STATE引腳與STM32上的引腳相連，把引腳配置成下拉輸入，當(dāng)藍(lán)牙連接建立之后，引腳上就會(huì)檢測(cè)到高電平，反之則為低電平，根據(jù)引腳上電平的變化，可把藍(lán)牙的連接狀態(tài)直觀的在顯示屏上展現(xiàn)出來(lái)，此模塊可實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制MP3播放器的功能。

2.5 外部Flash存儲(chǔ)芯片

LCD顯示屏是通過(guò)字模來(lái)顯示中文字體的，需要添加中文字庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)漢字及中文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的顯示。設(shè)計(jì)中用到的是GBK漢字庫(kù)，其中每個(gè)漢字都采用雙字節(jié)（2 Bytes）的存儲(chǔ)方式，而GBK漢字庫(kù)中共收錄了21 003個(gè)漢字，如果將漢字庫(kù)存儲(chǔ)到內(nèi)部Flash（512 k字節(jié)）顯然是不可行的，需要8 MB的外部Flash來(lái)存儲(chǔ)字庫(kù)[8]。

2.6 MicroSD卡

SD卡是一種大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，不僅存儲(chǔ)容量大，它的讀寫(xiě)速率高、體積小，很適合用于本系統(tǒng)中存儲(chǔ)音頻及圖形化界面的圖標(biāo)。

SD卡支持兩種總線操作模式：分別是SPI模式與SDIO模式。SPI模式需要4根數(shù)據(jù)線，一個(gè)SPI接口可以掛載多個(gè)器件，但不足之處是犧牲了速度。出于避免SD卡的讀寫(xiě)速度成為系統(tǒng)運(yùn)行速度的瓶頸，保證音樂(lè)播放的流暢度的考慮，所以設(shè)計(jì)中使用了讀寫(xiě)速度較快的SDIO模式。

2.7 觸摸顯示屏

本設(shè)計(jì)中使用了一塊分辨率為320×240的3.2寸液晶顯示觸摸屏，作為播放器的顯示及控制部分。觸摸顯示屏可分為顯示屏與觸摸屏兩部分介紹：

（1）顯示屏其控制芯片是ILI9328，其BL_EN引腳是背光引腳，若該引腳上是高電平，則點(diǎn)亮顯示屏，反之顯示屏熄滅。將該引腳連接到STM32上具有PWM輸出功能的GPIO口，將產(chǎn)生一定頻率的脈沖輸出到該引腳，再通過(guò)控制脈沖的占空比，便可控制屏幕的亮度，這種控制屏幕亮度的方法被稱為PWM調(diào)光。

（2）觸摸部分是電阻式觸摸屏，觸摸控制芯片為XPT2046，其內(nèi)部集成了逐步逼近型AD轉(zhuǎn)換器，當(dāng)觸摸屏被按下，觸點(diǎn)的X、Y方向上會(huì)產(chǎn)生電壓變化，XPT2046對(duì)電壓進(jìn)行兩次AD轉(zhuǎn)換之后，再進(jìn)一步處理便可以得到觸點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，根據(jù)得出的坐標(biāo)值可實(shí)現(xiàn)觸摸控制[9]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)中包含了多個(gè)按鈕以及多個(gè)界面，在圖形化界面的設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮了人機(jī)交互的體驗(yàn)感，盡量使界面美觀、簡(jiǎn)潔，讓操作變得簡(jiǎn)單，容易上手。

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)主要任務(wù)：一是檢測(cè)觸摸的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)作出響應(yīng)；二是讀取SD中的音頻文件數(shù)據(jù)，并發(fā)送到VS1053B進(jìn)行硬件解碼并輸出音樂(lè)。其余功能只能在兩個(gè)主要任務(wù)運(yùn)行的空余時(shí)間去處理，若其余功能運(yùn)行過(guò)于耗時(shí)，則會(huì)影響系統(tǒng)的流暢性，會(huì)造成音樂(lè)卡頓，觸摸不及時(shí)，所以在編寫(xiě)代碼時(shí)，盡可能避免使用延時(shí)。

3.2 FatFs文件系統(tǒng)的移植

首先下載FatFs的源碼，其源代碼目錄下有ffconf.h、ff.h、ff.c、diskio.h、diskio.c、interger.h，移植過(guò)程可分為以下兩步。

（1）FatFs文件系統(tǒng)的關(guān)鍵配置文件是ffconf.h，在使用FatFs提供的接口之前，可根據(jù)需求對(duì)該文件其中的宏定義進(jìn)行修改。其部分宏定義的說(shuō)明如表1所示。

表1 ffconf.h中的重要宏定義及其說(shuō)明

（2）重新編寫(xiě)diskio.c中的6個(gè)底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)：初始化磁盤(pán)disk_initialize、讀取扇區(qū)disk_read、寫(xiě)入扇區(qū)disk_write、磁盤(pán)控制disk_ioctl、獲取磁盤(pán)狀態(tài)disk_status、獲取當(dāng)前時(shí)間get_fattime[10]。

3.3 顯示及觸摸功能

本設(shè)計(jì)的顯示屏的控制芯片是ILI9328，在顯示屏的底層驅(qū)動(dòng)中，主要用到3個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在LCD屏幕上繪制圖形的，指令及描述如表2示。表中的功能表述中的行列地址實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是屏幕的像素點(diǎn)的x與y坐標(biāo)。其控制的流程如圖2所示。

表2 ILI9328控制指令及說(shuō)明

圖2 顯示屏控制流程

觸摸屏的控制有兩個(gè)重要指令說(shuō)明如表3所示。當(dāng)觸摸屏被按下時(shí)，T_INT引腳輸出低電平，此時(shí)向觸摸屏發(fā)送指令碼，等待XPT2046芯片內(nèi)部進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，可以從T_MISO引腳上讀取16位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，一個(gè)完整的坐標(biāo)需要發(fā)送兩次指令碼，分別獲得X與Y軸的坐標(biāo)值。

表3 觸摸屏控制指令

3.4 音樂(lè)播放功能

音頻數(shù)據(jù)來(lái)源于使用FatFs文件系統(tǒng)中接口函數(shù)f_read讀出的數(shù)據(jù)，每次主控芯片從SD卡中讀取4 096字節(jié)的音頻數(shù)據(jù)緩存到主控上的內(nèi)存中，每當(dāng)DREQ為高電平就往VS1053中發(fā)送32字節(jié)的數(shù)據(jù)，直到讀取到音頻文件的末尾[11]。其主要工作流程如圖3所示。

圖3 播放音頻流程

3.5 屏幕調(diào)光功能

在本設(shè)計(jì)使用PWM調(diào)光對(duì)屏幕亮度進(jìn)行控制。PWM有3個(gè)重要的參數(shù)分別是高度、寬度及周期，其關(guān)系如圖4所示。

圖4 PWM的3個(gè)參數(shù)

寬度占周期的百分比稱為占空比。通過(guò)控制占空比來(lái)控制屏幕的亮度，屏幕亮度大小與占空比正相關(guān)[12]。PWM的脈沖是由定時(shí)器產(chǎn)生的，這里列出脈沖周期及占空比與定時(shí)器參數(shù)的關(guān)系如下。

（1）周期=定時(shí)器重載值∕定時(shí)器時(shí)鐘頻率。

（2）占空比=比較值∕定時(shí)器重載值。

定時(shí)器重載值、定時(shí)器時(shí)鐘頻率這兩個(gè)參數(shù)在定時(shí)器初始化的時(shí)候就設(shè)置好固定值，只需要改變比較值，就可以改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)屏幕調(diào)光功能。

3.6 藍(lán)牙控制功能

串口藍(lán)牙模塊是通過(guò)串口與主控通信的，為STM32編寫(xiě)串口中斷程序，就可以從藍(lán)牙模塊獲取數(shù)據(jù)。設(shè)定一套字符串指令，通過(guò)手機(jī)App發(fā)送到藍(lán)牙模塊，STM32接收到之后進(jìn)行字符串比對(duì)，然后作出指令相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙控制功能。

3.7 定時(shí)關(guān)閉功能

該功能的實(shí)現(xiàn)用到了硬件定時(shí)器以及定時(shí)中斷，設(shè)定一個(gè)計(jì)時(shí)值，每次中斷觸發(fā)計(jì)時(shí)值減1，當(dāng)計(jì)時(shí)值為0時(shí)便使音樂(lè)停止播放。其工作流程如圖5所示。

圖5 定時(shí)關(guān)閉播放功能流程

3.8 溫度檢測(cè)功能

DS18B20單次溫度采集的流程如圖6所示。DS18B20完成一次溫度轉(zhuǎn)換至多需要750 ms，若在啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的750 ms內(nèi)再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，很有可能讀取不到正確的結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，利用定時(shí)器每隔3 s進(jìn)行一次溫度采集，既避免了采集間隔過(guò)低，也能保證溫度檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

圖6 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換流程

4 結(jié)果

系統(tǒng)上電后進(jìn)入主界面，如圖7所示，分為3個(gè)部分。

圖7 主功能界面

（1）信息顯示欄。位于主界面的頂部，從左到右分別顯示了當(dāng)前的時(shí)間、日期以及環(huán)境的溫度值。點(diǎn)擊時(shí)間或者日期的字體會(huì)切換至設(shè)置界面。亮度調(diào)節(jié)如圖8所示。

圖8 屏幕亮度調(diào)節(jié)功能測(cè)試

（2）音樂(lè)列表。界面中間部分把SD卡中歌曲的名字以列表的形式顯示出來(lái)，一頁(yè)顯示8首歌曲，支持翻頁(yè)瀏覽功能?？芍苯狱c(diǎn)擊歌曲名切換歌曲。

（3）播放控制欄。位于主界面的底部，該部分顯示了當(dāng)前歌曲的播放音量、播放進(jìn)度，點(diǎn)擊音量條或者進(jìn)度條可調(diào)整歌曲的音量以及播放進(jìn)度，還包含了5個(gè)控制按鈕。

時(shí)間設(shè)置界面如圖9所示，主要功能是設(shè)置時(shí)分秒，通過(guò)點(diǎn)擊主界面頂部顯示的時(shí)間進(jìn)入，通過(guò)界面上的“+”和“-”便可以調(diào)整時(shí)間，按下“確認(rèn)”按鈕使設(shè)置生效。

圖9 時(shí)間設(shè)置功能測(cè)試

功能與時(shí)間設(shè)置界面相似，可設(shè)置年、月、日，如圖10所示。定時(shí)播放關(guān)閉功能界面如圖11所示。

圖10 日期設(shè)置界面測(cè)試

圖11 播放定時(shí)關(guān)閉功能測(cè)試

藍(lán)牙連接建立成功之后，出現(xiàn)如圖12所示右上角的藍(lán)牙圖標(biāo)便可以通過(guò)手機(jī)App控制。

圖12 藍(lán)牙連接測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用SMT32F103ZET6作為主控芯，在此硬件平臺(tái)KDE基礎(chǔ)上，結(jié)合了音頻編解碼模塊、溫度傳感器、藍(lán)牙模塊以及SD卡，以顯示觸摸屏作為人機(jī)交互基礎(chǔ)，進(jìn)行了圖形化界面及應(yīng)用功能的開(kāi)發(fā)；移植了FatFs文件系統(tǒng)用以讀寫(xiě)SD卡，成功設(shè)計(jì)出了MP3播放器。此播放器具有溫度檢測(cè)、屏幕調(diào)光、藍(lán)牙控制、電子時(shí)鐘、定時(shí)播放等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該播放器不僅觸摸響應(yīng)迅速，能流暢地播放音樂(lè)，并能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。