程望斌,鄭仁伍,陽 均,鐘美濤,彭輝輝,戴添文

(1.湖南理工學(xué)院 南湖學(xué)院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

基于STM32的MP3播放器的設(shè)計(jì)

程望斌1,2,鄭仁伍1,陽 均1,鐘美濤1,彭輝輝1,戴添文1

(1.湖南理工學(xué)院 南湖學(xué)院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

以STM32F103ZET6為控制核心,設(shè)計(jì)了一款MP3播放器.詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的各組成模塊、設(shè)計(jì)方法和功能實(shí)現(xiàn)過程,并對系統(tǒng)功能進(jìn)行了分析和評價(jià).結(jié)果表明: 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)音樂播放﹑電子書閱讀﹑圖片瀏覽等功能.本設(shè)計(jì)具有操作簡單、穩(wěn)定性高、音質(zhì)好、能耗低等特點(diǎn),因此具有一定的使用價(jià)值.

MP3播放器; VS1003; STM32F103ZET6; μC/OS-II

Abstract: In this paper,a MP3 player is designed with STM32F103ZET6 as a control core.The modules,design methods and function realization process of the system are introduced in details,and the functions of the system are analyzed and evaluated.The result shows that the system can realize some functions such as music playing,e-book reading,picture browsing and so on.The design has certain value in use with the simple operation,high stability,good sound quality,low energy consumption etc.

Key words: MP3 Players,VS1003,STM32F103ZET6,μC/OS-II

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字編解碼及壓縮技術(shù)的發(fā)展,各類數(shù)碼產(chǎn)品發(fā)生了革命性的變化,新技術(shù)和新產(chǎn)品層出不窮.目前32位單片機(jī)已逐漸占領(lǐng)傳統(tǒng)的8位機(jī)市場,而在32位機(jī)系統(tǒng)中,基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器以其高性能﹑低成本等優(yōu)勢,在嵌入式市場中占據(jù)較大份額[1].

本文采用STM32F103VET6與VS1003相結(jié)合的方案,對音頻解碼、音頻功放等技術(shù)進(jìn)行深入研究,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)音樂播放﹑電子書閱讀﹑圖片瀏覽等功能,且設(shè)計(jì)的多功能MP3播放器具有電路結(jié)構(gòu)簡單[2]、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性高、音質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn),因此具有一定的應(yīng)用前景和市場價(jià)值.

圖1 硬件系統(tǒng)總體框圖

1 MP3播放器總體設(shè)計(jì)方案

本文以STM32F103ZET6微控制器作為處理器設(shè)計(jì)MP3多功能播放器,系統(tǒng)包含主控制模塊、電源模塊、字庫Flash模塊,TFT觸摸模塊、音頻解碼、音頻存儲、音頻功放七個(gè)部分.液晶部分采用帶觸摸功能的TFT彩屏液晶,音頻解碼采用VS1003解碼編碼芯片,音頻存儲采用SD卡.硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 音頻功放設(shè)計(jì)

音頻功放采用LM386芯片,它具有功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)[3].系統(tǒng)采用電位器來調(diào)節(jié)聲音的大小,在1腳和8腳之間串聯(lián)一個(gè)電阻、電容,將LM386的增益固定.LM386設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示.

圖2 LM386設(shè)計(jì)原理圖

2.2 控制模塊和電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從外部的電源模塊獲得+9V的直流電源,通過AMS1117-5和AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片獲得+5V和+3.3V的電壓,以供系統(tǒng)運(yùn)行,同時(shí)放置了較多的濾波電容,保障電源穩(wěn)定工作[4].主控模塊與電源模塊原理圖如圖3所示.

圖3 主控模塊與電源模塊原理圖

2.3 音頻解碼模塊設(shè)計(jì)

使用的音頻解碼器芯片是VS1003.VS1003是一個(gè)單片音頻解碼器和編碼器,可為用戶應(yīng)用提供0.5KB 的數(shù)據(jù) RAM 和5KB 的指令 RAM,4 個(gè)常規(guī) I/O 口,串行控制和數(shù)據(jù)接口,一個(gè)UART接口,一個(gè)可變采樣率的 ADC 和立體聲 DAC.

2.4 TFT液晶模塊設(shè)計(jì)

TFT液晶電路包括TFT液晶驅(qū)動(dòng)和觸摸屏控制芯片.TFT液晶驅(qū)動(dòng)以ILI9320芯片為控制芯片,ILI9320控制器是一款自帶顯存和有262144種顏色的單芯片SOC驅(qū)動(dòng)的晶體顯示器,容量為172800字節(jié),有320×240的高分辨率和16位數(shù)據(jù)接口.觸摸屏控制芯片采用ADS7846,ADS7846是一款四線觸摸屏控制器,可以通過SPI總線控制.

2.5 音頻存儲模塊設(shè)計(jì)

多功能MP3播放器采用FAT16文件系統(tǒng).FAT16的數(shù)據(jù)信息通常分為5個(gè)區(qū): MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū).SD卡一般不會做引導(dǎo)盤,也不分區(qū),所以通常沒有MBR區(qū),直接從DBR區(qū)開始.SD卡允許在SPI 模式和SDIO模式下工作,SD四線模式速度相對較快,STM32F103ZET6芯片含有SDIO接口.

2.6 字庫Flash電路設(shè)計(jì)

使用的字庫Flash是W25X16芯片,它具有PCB板占用空間少、引腳數(shù)少、低功耗等特點(diǎn).W25X16支持標(biāo)準(zhǔn)SPI接口,SPI只需四個(gè)引腳控制,因此其電路設(shè)計(jì)簡單,其原理圖如圖4所示.

圖4 W25X16原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用KEIL4軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分成三個(gè)步驟: 首先進(jìn)行各模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),然后進(jìn)行操作系統(tǒng)移植,最后進(jìn)行系統(tǒng)整合.設(shè)計(jì)各模塊驅(qū)動(dòng)程序時(shí),采用STM32官方自帶的庫文件,可加快開發(fā)速度,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

4 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

4.1 音樂播放功能設(shè)計(jì)

如果要實(shí)現(xiàn)音樂播放功能,就要獲得相應(yīng)的音樂文件數(shù)據(jù).根據(jù)FAT文件的存儲格式再結(jié)合SD卡讀取驅(qū)動(dòng),每次讀取512個(gè)字節(jié),可得到相應(yīng)的文件數(shù)據(jù).當(dāng)VS1003已經(jīng)初始化完成并將讀到的數(shù)據(jù)以每次32字節(jié)的速度送入VS1003的RAM中時(shí),VS1003會自動(dòng)處理數(shù)據(jù)并得到模擬音頻信號[5].

在每次讀取新的音頻文件時(shí),采用文件名比較(只比較前3個(gè)字節(jié))的方法查找存在SD卡中的歌詞文件.如果存在歌詞文件,就將文件數(shù)據(jù)全部復(fù)制到RAM中(超過6144個(gè)字節(jié)的部分將丟棄),同時(shí)初始化30ms中斷的定時(shí)器用于歌詞顯示的刷新操作.

4.2 電子書和圖片瀏覽功能設(shè)計(jì)

電子書閱讀和圖片瀏覽功能在文件數(shù)據(jù)的讀取上與音樂播放功能一樣,但是所讀取的文件屬性不一樣.電子書閱讀支持txt、lrc文件,圖片瀏覽則支持BMP等屬性文件.電子書閱讀與圖片瀏覽功能的實(shí)現(xiàn)不需要做額外的數(shù)據(jù)處理,直接把讀取的txt、BMP文件數(shù)據(jù)送給TFT顯示驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能.

4.3 軟件系統(tǒng)移植

(1)FAT文件系統(tǒng)移植

在移植FAT16文件之前,需從FAT的官網(wǎng)下載源碼,版本號為R0.07C.下載后,可看到doc和src兩個(gè)文件夾,doc里是一些使用文檔,不需考慮,src里面則是需要移植的文件系統(tǒng)源碼.FAFTS文件系統(tǒng)是采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫的代碼,不受CPU和編譯器的限制,移植也很方便.移植好后與SD卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)配合,即可進(jìn)行文件的讀寫操作.

(2)μC/GUI移植

μC/GUI是一款專門針對嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀圖形軟件.它設(shè)計(jì)的圖形用戶接口可用于任意LCD圖形顯示,且不依賴于CPU及 LCD 的控制器.它可工作于單任務(wù)或多任務(wù)環(huán)境下,并適用于任意 LCD 控制器和 CPU 的任意尺寸的物理和虛擬顯示.要實(shí)現(xiàn)μC/GUI移植,首先需要下載μC/GUI V3.98版本,然后放入一個(gè)對應(yīng)的文件夾,再打開KEIL軟件,然后將μC/GUI添加到工程中.由于μC/GUI使用標(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫,因此具有便于移植,不依賴硬件的特點(diǎn).移植好后,可將自己的程序加入到其中.

(3)μC/OS-II移植

μC/OS-II操作系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng),系統(tǒng)大致可以分成核心部分、任務(wù)處理部分、時(shí)間處理部分、任務(wù)同步與通信部分.要實(shí)現(xiàn)μC/OS-II的移植,首先應(yīng)從Micrium官方網(wǎng)站下載基于STM32開發(fā)板的μC/OS-II系統(tǒng),該版本為2.86版本,開發(fā)環(huán)境是IAR編譯器.下載的μC/OS-II系統(tǒng)官方已經(jīng)移植好,只需打開KEIL,將各個(gè)文件夾添加其中,在中斷服務(wù)文件中修改兩個(gè)中斷函數(shù),待μC/OS-II系統(tǒng)移植完成,即可新建Task.

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的多功能MP3播放器的液晶部分采用帶觸摸功能的4.3寸TFT彩屏液晶,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)彩屏顯示和觸摸輸入功能; 音頻解碼采用VS1003解碼編碼芯片,能實(shí)現(xiàn)音頻信號的快速硬件解碼,使系統(tǒng)流暢地播放音樂; 音頻存儲采用SD卡,可滿足歌曲大容量存儲要求.該MP3播放器具有功能多、穩(wěn)定性好、功耗低、音質(zhì)佳等優(yōu)點(diǎn),因此具有一定的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景.

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Design of MP3 Player based on STM32

CHENG Wangbin1,2,ZHENG Renwu1,YANG Jun1,ZHONG Meitao1,PENG Huihui1,DAI Tianwen1
(1.Nanhu College,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China;2.College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

TN 98

A

1672-5298(2017)03-0050-04

2017-06-22

大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(201703); 湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016TP1021)

程望斌(1979? ),男,湖北崇陽人,湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院副教授.主要研究方向: 光電子技術(shù)與學(xué)科競賽