基于Cortex-M3的MP3播放器設(shè)計(jì)

引言

STM32系列微控制器采用ARM公司最新的Cortex—M3內(nèi)核。VSl003音頻解碼芯片為VSlOxx系列的第三代產(chǎn)品，是芬蘭VLSI Solution公司生產(chǎn)的單片MP3／WMA／MIDI解碼和ADPCM編碼芯片。本文采用STM32系列微控制器，結(jié)合解碼芯片VSl003、SD 卡、LCD等外圍設(shè)備設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了MP3播放器。其主要功能有：播放VSl003支持的所有音頻文件，如MP3、WMA、WAV文件，且音質(zhì)非常好；通過搖桿控制播放上一首／下一首、音量增減等；通過LCD顯示歌曲名字和播放狀態(tài)；本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了讀卡器功能，PC機(jī)可通過USB接口直接對開發(fā)板上的SD卡進(jìn)行讀寫操作，以方便拷貝音頻文件。

1 STM32處理器

Cortex—M3是ARM公司最新推出的基于ARMv7體系架構(gòu)的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，專門為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)。

ARMv7架構(gòu)采用了Thumb一2技術(shù)，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案完整的代碼兼容性。 Thumb一2技術(shù)比純ARM代碼少使用31％的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷，同時(shí)能夠提供比Thumb技術(shù)高出38％的性能。

在中斷處理方面，Cortex—M3集成了嵌套向量中斷控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是Cortex—M3處理器的一個(gè)緊耦合部分，可以配置1～240個(gè)帶有256個(gè)優(yōu)先級、8級搶占優(yōu)先權(quán)的物理中斷，為處理器提供出色的異常處理能力。同時(shí)，搶占(Pre—eruption)、尾鏈(Tail-chaining)、遲到技術(shù)(Late—arri- ving)的使用，大大縮短了異常事件的響應(yīng)時(shí)間。Cortex—M3異常處理過程中由硬件自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，進(jìn)一步縮短了中斷響應(yīng)時(shí)間，降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

Cortex—M3體系架構(gòu)提出了新的單線調(diào)試技術(shù)，Cortex—M3處理器的跟蹤調(diào)試是通過調(diào)試訪問端口(Debug Access Port，DAP)來實(shí)現(xiàn)的。DAP端口可以作為串行線調(diào)試端口(SW—DP)或串行JTAG調(diào)試端口(SWJ—DP，允許JTAG或SW協(xié)議)使用。其中SW—DP只需要時(shí)鐘和數(shù)據(jù)2個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)低成本跟蹤調(diào)試，避免使用多引腳進(jìn)行JTAG調(diào)試，并全面支持RealView編譯器和RealView調(diào)試產(chǎn)品。此外Cortex—M3還具備高度集成化的特點(diǎn)，大大減小了芯片面積，內(nèi)部集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè)，合理利用了芯片空間，使系統(tǒng)滿足下一代產(chǎn)品的控制需求。

STM32系列是基于Cortex—M3核的微控制器，它在Cortex—M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了高性能的外圍設(shè)備。

2 VSl003 MP3／WMA音頻編解碼器

VSl003內(nèi)部包含1個(gè)高性能、低功耗的DSP處理核(VSDSP)，1個(gè)工作內(nèi)存，1片可供用戶程序使用的5．5KB RAM，1個(gè)串行SPI總線接口，1個(gè)高質(zhì)量的采樣頻率可調(diào)的過采樣DAC以及1個(gè)16位的采樣ADC。VSl003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。



MP3播放過程是STM32通過SPIl接口將數(shù)據(jù)從SD卡中取出，然后通過SPl2接口送至解碼芯片VSl003解碼播放。這里解碼模塊單獨(dú)使用一個(gè) SPI接口，以減小干擾和噪聲、提高音質(zhì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在硬件上分為6個(gè)模塊：微控制器STM32F103、解碼模塊VSl003、存儲模塊SD卡、控制搖桿Joystick、USB接口和顯示屏 LCD。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。



下面分別介紹系統(tǒng)的存儲模塊SD卡、解碼芯片VSl003與STM32的硬件連接情況。

3．1 SD卡與STM32的連接

該系統(tǒng)使用STM32內(nèi)部接口SPIl與SD卡進(jìn)行通信，下面介紹其引腳連接情況。

PE3：低電平有效，連接到SD卡的片選引腳CD／DAT3。SPI在和SD卡進(jìn)行通信時(shí)，需要將PE3拉低才能對SD卡進(jìn)行操作。

PA7：映射為STM32內(nèi)部接口SPIl的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設(shè)備，SD卡是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流的傳輸方向是從STM32 傳輸給SD卡。該信號線用于傳輸一些控制命令來完成SD卡的操作，如讀、寫等。

PA5：已連接到STM32內(nèi)部接口SPIl的時(shí)鐘(SCLK)信號線?？稍O(shè)置SPI的時(shí)鐘頻率來調(diào)整讀取SD卡數(shù)據(jù)的快慢。

PA6：已連接到STM32內(nèi)部接口SPIl的主輸入從輸出(MISO)信號線。數(shù)據(jù)的傳輸方向是從SD卡傳輸給STM32，主要返回SD卡的一些狀態(tài)、內(nèi)部寄存器值等。

PCI2：用于檢測SD卡是否完全插入。當(dāng)SD卡完全插入時(shí)，PCl2為低電平，否則為高電平。

3．2 VSl003與STM32的連接

該系統(tǒng)使用STM32內(nèi)部接口SPl2與VSl003進(jìn)行通信，下面介紹其引腳連接情況。

PA3：VSl003的中斷請求引腳。當(dāng)VSl003內(nèi)部數(shù)據(jù)已處理完畢，需要新的數(shù)據(jù)時(shí)，將DREQ拉高。STM32根據(jù)這個(gè)信號來給VSl003發(fā)送新的數(shù)據(jù)流。

PBl3：已連接到STM32內(nèi)部接口SPI2的時(shí)鐘(SCLK)信號線。

PBl4：已連接到STM32內(nèi)部接口SPI2的主輸入從輸出(MISO)信號線。這里STM32是主設(shè)備，VSl003是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流的傳輸方向是從 VSl003傳輸給STM32。主要用于讀取VSl003的一些狀態(tài)和內(nèi)部寄存器值，比如寄存器測試返回的內(nèi)部寄存器的值。

PBl5：已連接到STM32內(nèi)部接口SPl2的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設(shè)備，VSl003是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流方向是從 STM32傳輸給VSl003，主要傳輸給VSl003一些控制命令、MP3／WMA數(shù)據(jù)流等。

PAl：低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI傳輸?shù)氖强刂菩盘枴？刂菩盘柊ㄗx寫VSl003的內(nèi)部寄存器、對VSl003進(jìn)行初始化、設(shè)置左右聲道音量等。PA2：低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號。比如在向VSl003傳輸MP3／WMA的數(shù)據(jù)流時(shí)需要拉低該引腳。

PA0：低電平有效，拉低該引腳則硬件復(fù)位VSl003。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件由集成開發(fā)工具 RealView MDK專業(yè)版開發(fā)，它具有強(qiáng)大的編譯、鏈接和調(diào)試功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)的工作過程大致為：STM32通過SPIl從SD卡中讀取 MP3／WMA文件，將所讀取的數(shù)據(jù)流通過SPl2發(fā)送到VSl003解碼器中播放；PC機(jī)可通過USB總線讀寫SD卡的內(nèi)容，傳送MP3／WMA等文件；LCD顯示屏用于顯示MP3的文件名、播放狀態(tài)。五維搖桿左右搖動控制播放上一首／下一首，上下?lián)u動控制音量，按下則控制播放／暫停。



由于SPIl讀取SD卡文件的速度遠(yuǎn)超過VSl003播放數(shù)據(jù)流的速度，因此VSl003在播放來自SPI2的數(shù)據(jù)流期間，SPIl能從SD卡中讀取下次播放所需的數(shù)據(jù)，不會產(chǎn)生聲音不連續(xù)的情況。由于使用了2個(gè)SPI接口，相互之間無干擾，且提高了文件系統(tǒng)的效率，因此本系統(tǒng)能得到非常高品質(zhì)的音樂。

限于篇幅，下面僅介紹軟件的兩個(gè)核心模塊。

4．1 SD模塊

SD模塊主要提供SD卡驅(qū)動以及對 FAT文件系統(tǒng)操作的函數(shù)，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)支持長文件名。該模塊主要含有2個(gè)文件msd．c和fatl6．c。下面分別介紹其主要函數(shù)的功能。

4．1．1 msd．c

該文件用于提供SD卡的驅(qū)動，主要包括以下函數(shù)。

SPI_Config：配置與SD卡相連接的SPIl及相關(guān)GPIO。
MSD_Init：初始化SD卡通信。
Get_Medium_Characteristics：獲取SD卡的容量和塊大小等相關(guān)信息。
MSD_GoIdleState：令SD卡處于空閑態(tài)。
MSD_SendCmd：向SD卡發(fā)送命令。
MSD_GetResponse：從SD卡獲取響應(yīng)。
MSD_GetStatus：獲取SD卡的狀態(tài)。
MSD_WriteBlock：向SD卡寫入1個(gè)塊的數(shù)據(jù)。
MSD_ReadBlock：從SD卡讀取1個(gè)塊的數(shù)據(jù)。
以下是函數(shù)MSD_ReadBlock的實(shí)現(xiàn)：




4．1．2 fatl6．c

該文件提供對FATl6文件系統(tǒng)的支持，主要包含以下函數(shù)。

ReadMBR：讀取MBR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
ReadBPB：讀取BPB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
ReadFAT：讀取文件分配表指定項(xiàng)。
ReadBloek：讀取SD卡的一個(gè)扇區(qū)。
FAT_Init：獲取FATl6文件系統(tǒng)的基本信息。
DirStartSec：獲取根目錄的開始扇區(qū)號。
DataStartSec：獲取數(shù)據(jù)區(qū)的開始扇區(qū)號。
ClusConvLBA：獲取一個(gè)簇的開始扇區(qū)號。
LBAConvClus：轉(zhuǎn)換扇區(qū)號與簇號之間的關(guān)系。
GetFileName：獲取指定文件的首扇區(qū)號。
ListDateTime：列出文件或子目錄創(chuàng)建的時(shí)間日期。
SearchFoler：在指定范圍內(nèi)查找文件或子目錄。
ListDir：列出指定范圍內(nèi)的文件或子目錄及相關(guān)信息。
FAT_FileOpen：打開指定文件。
FAT_FileRead：讀取文件數(shù)據(jù)。

4．2 VSl003模塊

VSl003模塊主要提供對解碼芯片VSl003的驅(qū)動，為應(yīng)用層播放音頻數(shù)據(jù)、控制音量聲道等提供基本接口。該模塊主要含文件vsl003．c。其主要函數(shù)的功能如下。

vsl003．c文件主要提供VSL003芯片的驅(qū)動，包含以下幾個(gè)主要函數(shù)。
VSL003_Config：配置STM32與VSl003連接的相關(guān)引腳，包括SPl2、PA0、PAl、PA2、PA3。
SPIGetChar：通過SPI從VSl003讀取1個(gè)字節(jié)。
SPIPutChar：通過SPI向VSl003寫入1個(gè)字節(jié)。如果是MP3／WMA數(shù)據(jù)流，則VSl003將開始解碼并播放。
Mp3ReadRegister：讀取VSl003寄存器的值。
Mp3WriteRegister：寫VSl003寄存器。
Mp3Reset：VSl003復(fù)位，包括軟件復(fù)位和硬件復(fù)位。
Mp3SoftReset：VSl003軟件復(fù)位，設(shè)置時(shí)鐘、采樣率、重音、音量、立體聲等參數(shù)，一般在2首樂曲之間需要一次軟件復(fù)位。
VsSineTest：播放正弦聲波，用于測試VSl003和STM32的連接是否完好。

結(jié)語

本文提出了一種基于STM32的MP3播放器設(shè)計(jì)方案，并使用ARM開發(fā)工具RealView MDK實(shí)現(xiàn)了該方案的原型。盡管該方案無法作為一個(gè)通用MP3的方案，但是對于某些音頻需要的工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療電子等方案具有一定的參考性。另外，本系統(tǒng)綜合使用了STM32處理器的多個(gè)外圍接口，也可供讀者學(xué)習(xí)參考。