李 偉，張 真，范文豪

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州450063）

基于STM32微控制器的mp3播放器設(shè)計(jì)

李 偉，張 真，范文豪

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州450063）

介紹了一種音樂(lè)播放器的設(shè)計(jì)方法，該播放器是基于Cortex?M3內(nèi)核的STM32微控制器的MP3播放器。Cor?tex?M3是ARM公司為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的內(nèi)核。結(jié)果表明該系統(tǒng)可以播放MP3和WAV音樂(lè)文件，播放同時(shí)顯示歌曲名字，歌手和專(zhuān)輯名稱(chēng)。

音樂(lè)播放器；STM32；MP3播放器；Cortex?M3

0 引言

隨著科技發(fā)展，MP3播放器早已擺脫了單純聽(tīng)音的時(shí)代，而朝著多功能一體化方向不斷發(fā)展。MP3從一個(gè)音樂(lè)播放載體逐漸演變?yōu)閿?shù)碼多功能產(chǎn)品。MP3是MPEG Audio Layer3的簡(jiǎn)稱(chēng)，其通過(guò)音頻壓縮技術(shù)，可以將音樂(lè)壓縮，從而降低了音樂(lè)文件的體積。盡管MP3是一種有損壓縮，其壓縮過(guò)后還能保持很好的音質(zhì)。正是因?yàn)镸P3體積小、音質(zhì)高的特點(diǎn)，使得MP3格式的音樂(lè)在網(wǎng)絡(luò)上廣為傳播。市面上的中低端MP3都是采用的單芯片解決方案，而本系統(tǒng)采用雙芯片解決方案，理論上要比市場(chǎng)上的中低端質(zhì)量要好。

該設(shè)計(jì)是基于STM32微控制器所設(shè)計(jì)的MP3播放器，MP3文件儲(chǔ)存在SD卡上，由STM32讀取數(shù)據(jù)并送到VS1003音頻解碼模塊解碼輸出。同時(shí)STM32驅(qū)動(dòng)液晶模塊顯示當(dāng)前播放信息，提供播放歌曲名顯示。

1 硬件系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)硬件模塊分為兩個(gè)模塊：STM32開(kāi)發(fā)板、VS1053音頻解碼模塊。

如圖1所示STM32開(kāi)發(fā)板由供電電路、時(shí)鐘源電路、SPI存儲(chǔ)電路、JTAG接口和復(fù)位電路、SD卡插座、USB接口、液晶顯示模塊及與音頻解碼芯片的連接電路。VS1053是單獨(dú)的模塊，作用是音頻解碼。

圖1 硬件電路

1.1 供電電路設(shè)計(jì)

供電電源采用AMS1117?3.3。該電源的特點(diǎn)：三端可調(diào)或固定電壓3.3 V輸出電流為1 A線(xiàn)路調(diào)整率。如圖2所示，輸入5 V，提供3.3 V的固定電壓輸出，為了降低電磁干擾，C7～C10濾波后為CPU提供電源，R8為DGND與AGND的連接，R9和D5為L(zhǎng)ED電源指示。

1.2 SPI存儲(chǔ)電路

該設(shè)計(jì)采用M25P16（16 MB）作為存儲(chǔ)電路。CPU采用SPI1端口PA7?SPI1?MOSI（P32）、PA6?SPI1?MISO

（P31）、PA5?SPI1?SCK（P30）、PA4?SPI1?NSS（P29）控制讀/寫(xiě)訪問(wèn)，SPI1地址為0x4000 3800～0x4000 3BFF。SPI存儲(chǔ)電路見(jiàn)圖3。

圖2 供電電路

1.3 JTAG接口

該接口用于測(cè)試芯片的電氣特性，檢測(cè)芯片是否有問(wèn)題。如圖4所示為JTAG接口電路。

圖3 SPI存儲(chǔ)電路

圖4 JTAG接口電路

1.4 SD卡接口

本設(shè)計(jì)采用的MicroSD卡，卡座接口為8腳（見(jiàn)圖5），與CPU的SD卡接口連接分別為SD卡座CPU 1～8：SDIO?D2 PC10?SDIO?D2（P78）；SDIO?D3 PC11?SDIO?D3（P79）；SDIO?CMD PD2?SDIO?CMD（P83）；+3 V+3 V；SDIO?CK PC12?SDIO?CK（P80）；GND GND；SDIO?D0 PC8?SDIO?D0（P65）；SDIO?D1 PC9?SDIO?D1（P66）SDIO。地址為0x4001 8000～0x4001 83FF。

圖5 SD卡座

1.5 Cortex?M3處理器的設(shè)計(jì)

Cortex?M3具有調(diào)試成本低，中斷延短，門(mén)數(shù)目少的特點(diǎn)，是一種低功耗處理器，主要應(yīng)用于有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式設(shè)備中。所以該設(shè)計(jì)采用Cortex?M3作為處理器。

Cortex?M3處理器整合了以下組件：

（1）處理器內(nèi)核，ARMv7?M：Thumb?2 ISA子集，包含所有基本的16位和32位Thumb?2指令。硬件除法指令，SDIV和UDIV（Thumb?2指令）處理模式（Han?dler Mode）和線(xiàn)程模式（Thread Mode）。

（2）嵌套向量中斷控制器（NVIC）。為了實(shí)現(xiàn)低延遲中斷處理，讓嵌套向量中斷控制器和處理器緊密結(jié)合，并且具有以下特性：

①優(yōu)先級(jí)分組。分為占先中斷等級(jí)和非占先中斷等級(jí)。

②優(yōu)先級(jí)位可配置為3～8位。

③外部中斷可配置為1～240個(gè)。

④中斷優(yōu)先級(jí)可動(dòng)態(tài)地重新配置。

（3）存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）的主要作用是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行保護(hù)，具有以下特性：

① 子區(qū)禁止功能（SRD），實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器區(qū)的有效使用。

②可使能背景區(qū)，執(zhí)行默認(rèn)的存儲(chǔ)器映射屬性。

③8個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)。

1.6 Cortex?M3的層次和實(shí)現(xiàn)

Cortex?M3處理器的組件存在于兩個(gè)層次等級(jí)中。因?yàn)镽OM、SW/JTAG?DP、TPIU和ETM組件是可選的，這4個(gè)組件位于Cortex?M3處理器的外面，執(zhí)行和使用它們的方式非常靈活?？赡艿南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的選項(xiàng)有TPIU和SW/JTAG?DP。

（1）TPIU的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)。如果系統(tǒng)中有ETM，則會(huì)含有TPIU格式程序，否則就不包含該格式程序。一個(gè)多內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)可使用單個(gè)或多個(gè)TPIU來(lái)跟蹤。ARM TPIU模塊可以用兼容TPIU的指定合作伙伴的Core?Sight取代。在生產(chǎn)設(shè)備中，TPIU可以移除。

（2）SW/JTAG?DP的實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)可以含有SW?DP或JTAG?DP中的任一個(gè)或兩者都有。ARM SW?DP可以被兼容SW?DP的指定合作伙伴的CoreSight取代。ARM JTAG?DP可以被兼容JTAG?DP的指定合作伙伴的CoreSight取代。SW?DP或JTAG?DP可以包含指定合作伙伴的測(cè)試接口。

1.7 VS1003的主控單元設(shè)計(jì)

1.7.1 VS1003芯片介紹

解碼芯片用的是VLSI的VS1003。VS1003是由荷

蘭VLSI公司出品的一款單芯片MP3/WMA/MIDI/WAV音頻解碼和ADPCM編碼芯片。VS1003的特性如下：能解碼音頻文件；支持MP3和WAV；對(duì)話(huà)筒輸入或線(xiàn)路輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行IMAADPCM編碼；低功耗；單時(shí)鐘操作12～13 MHz；高低音控制；內(nèi)含能驅(qū)動(dòng)30 Ω負(fù)載的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

VS1003通過(guò)SPI接口來(lái)接收輸入的音頻數(shù)據(jù)流，它可以是一個(gè)系統(tǒng)的從機(jī)，也可以作為獨(dú)立的主機(jī)。這里只把它當(dāng)成從機(jī)使用。通過(guò)SPI口向VS1003不停地輸入音頻數(shù)據(jù)，它就會(huì)自動(dòng)解碼，然后從輸出通道輸出音樂(lè)，這時(shí)接上耳機(jī)就能聽(tīng)到所播放的歌曲。VS1003音頻解碼模塊是一個(gè)通用的解碼模塊。

1.7.2 控制VS1003播放歌曲步驟

（1）復(fù)位VS1003。這里包括了硬復(fù)位和軟復(fù)位，是為了讓VS1003的狀態(tài)回到原始狀態(tài)，準(zhǔn)備解碼下一首歌曲。建議在每首歌曲播放之前都執(zhí)行一次硬件復(fù)位和軟件復(fù)位，以便更好的播放音樂(lè)。

（2）配置VS1003的相關(guān)寄存器；這里配置的寄存器包括VS1003的模式寄存器（MODE）、時(shí)鐘寄存器（CLOCKF）、音調(diào)寄存器（BASS）、音量寄存器（VOL）。

（3）發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。當(dāng)經(jīng)過(guò)以上兩步配置以后，需要往VS1003里面送音頻數(shù)據(jù)了，只要是VS1003支持的音頻格式，直接往里面送就可以，VS1003會(huì)自動(dòng)識(shí)別，并進(jìn)行播放。不過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)要在DRE信號(hào)的控制下有序的進(jìn)行，不能亂發(fā)。這個(gè)規(guī)則很簡(jiǎn)單：只要DREQ變高，就向VS1003發(fā)送32 B。然后繼續(xù)等待DREQ變高，直到音頻數(shù)據(jù)發(fā)送完。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

主程序完成開(kāi)發(fā)板的初始化和文件系統(tǒng)的初始化，初始化后MCU先把音樂(lè)文件信息比如歌曲名字、作者和專(zhuān)輯名稱(chēng)顯示出來(lái)。然后開(kāi)始向VS1003模塊發(fā)送32 B的音樂(lè)數(shù)據(jù)，VS1003開(kāi)始解碼音樂(lè)數(shù)據(jù)，解碼后VS1003把DREQ拉高，MCU判斷DREQ為高后繼續(xù)發(fā)送32 B數(shù)據(jù)，直到把音樂(lè)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，之后系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)，如圖6所示。

2.2 開(kāi)發(fā)板初始化

開(kāi)發(fā)板初始化程序，先是系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，然后初始化LED為后面的電亮做準(zhǔn)備，然后初始化LCD，為顯示做準(zhǔn)備。如圖7所示。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)具有開(kāi)始、暫停、Vol+、Vol-和播放上一首下一首的功能。每一個(gè)功能都有對(duì)應(yīng)的按鍵。軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖6 主流程序流程圖

圖7 開(kāi)發(fā)板初始化

圖8 軟件結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)基于以AMS1117?3.3作為供電電源，以Cor?tex?M3作為處理器，通過(guò)VS1003實(shí)現(xiàn)音頻解碼，達(dá)到播放音樂(lè)的目的。

該音樂(lè)播放器可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)始、暫停、聲音加減和上一首、下一首的功能。功能比較單一，如何在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)更多的功能是一個(gè)發(fā)展方向，譬如iPod通過(guò)移植操作系統(tǒng)作為通用平臺(tái)，然后下載各種應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，比如上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁(yè)、游戲等功能。

[1]YIU Joseph.Cortex?M3權(quán)威指南[M].宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2]VLSI公司.VS1003中文說(shuō)明書(shū)[EB/OL].[2011?04?07].http：// wenku.baidu.com.

[3]張陽(yáng)天，韓異凡.Protel DXP電路設(shè)計(jì)[M]北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]VLSI公司.VS1003?MP3/WMA AUDIO CODE數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/ OL].[2005?06?07].http：//download.csdn.net/detail/zhongpai/ 4392299.

[5]陳杰.基于ARM平臺(tái)的MP3編碼器的實(shí)現(xiàn)及性能優(yōu)化[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[6]李國(guó)輝.基于ARM的MP3播放器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（16）：1?2.

Design of MP3 player based on STM32 micro controller

LI Wei，ZHANG Zhen，F(xiàn)AN Wen?hao
（Huanghe Science and Technology College，Zhengzhou，450063，China）

A design method of a music player is introduced in this paper，which is the MP3 player based on STM32 mi?cro controller of Cortex?M3 kernel that is designed specifically by ARM for the embedded applications of low cost，low power con?sumptionand high performance.This system can realize the functions：playback of MP3 and WAV music file，and name dis?play of song，singer name and album.

music player；STM32；MP3 player；Cortex?M3

TN710?34

A

1004?373X（2015）04?0118?03

李 偉（1983—），女，河南南陽(yáng)人，碩士，講師。主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

張 真（1992—），男。研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭?/p>

2014?08?15

鄭州市無(wú)線(xiàn)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（121PCXTD511）；河南省民辦高校通信工程品牌專(zhuān)業(yè)