基于Cortex-M3的MP3播放器设计

发布时间:2010-4-13 11:00    发布者:李宽
关键词: MP3播放器 , 设计
引言

STM32系列微控制器采用ARM公司最新的Cortex—M3内核。VSl003音频解码芯片为VSlOxx系列的第三代产品,是芬兰VLSI Solution公司生产的单片MP3/WMA/MIDI解码和ADPCM编码芯片。本文采用STM32系列微控制器,结合解码芯片VSl003、SD 卡、LCD等外围设备设计并实现了MP3播放器。其主要功能有:播放VSl003支持的所有音频文件,如MP3、WMA、WAV文件,且音质非常好;通过摇杆控制播放上一首/下一首、音量增减等;通过LCD显示歌曲名字和播放状态;本系统还实现了读卡器功能,PC机可通过USB接口直接对开发板上的SD卡进行读写操作,以方便拷贝音频文件。

1 STM32处理器

Cortex—M3是ARM公司最新推出的基于ARMv7体系架构的处理器核,具有高性能、低成本、低功耗的特点,专门为嵌入式应用领域设计。

ARMv7架构采用了Thumb一2技术,它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的,并且保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性。 Thumb一2技术比纯ARM代码少使用31%的内存,减小了系统开销,同时能够提供比Thumb技术高出38%的性能。

在中断处理方面,Cortex—M3集成了嵌套向量中断控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是Cortex—M3处理器的一个紧耦合部分,可以配置1~240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断,为处理器提供出色的异常处理能力。同时,抢占(Pre—eruption)、尾链(Tail-chaining)、迟到技术(Late—arri- ving)的使用,大大缩短了异常事件的响应时间。Cortex—M3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态,进一步缩短了中断响应时间,降低了软件设计的复杂性。

Cortex—M3体系架构提出了新的单线调试技术,Cortex—M3处理器的跟踪调试是通过调试访问端口(Debug Access Port,DAP)来实现的。DAP端口可以作为串行线调试端口(SW—DP)或串行JTAG调试端口(SWJ—DP,允许JTAG或SW协议)使用。其中SW—DP只需要时钟和数据2个引脚,实现低成本跟踪调试,避免使用多引脚进行JTAG调试,并全面支持RealView编译器和RealView调试产品。此外Cortex—M3还具备高度集成化的特点,大大减小了芯片面积,内部集成了许多紧耦合系统外设,合理利用了芯片空间,使系统满足下一代产品的控制需求。

STM32系列是基于Cortex—M3核的微控制器,它在Cortex—M3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。

2 VSl003 MP3/WMA音频编解码器

VSl003内部包含1个高性能、低功耗的DSP处理核(VSDSP),1个工作内存,1片可供用户程序使用的5.5KB RAM,1个串行SPI总线接口,1个高质量的采样频率可调的过采样DAC以及1个16位的采样ADC。VSl003的内部结构如图1所示。

1.gif

MP3播放过程是STM32通过SPIl接口将数据从SD卡中取出,然后通过SPl2接口送至解码芯片VSl003解码播放。这里解码模块单独使用一个 SPI接口,以减小干扰和噪声、提高音质。

3 系统硬件设计

本系统在硬件上分为6个模块:微控制器STM32F103、解码模块VSl003、存储模块SD卡、控制摇杆Joystick、USB接口和显示屏 LCD。系统硬件框架如图2所示。

2.gif

下面分别介绍系统的存储模块SD卡、解码芯片VSl003与STM32的硬件连接情况。

3.1 SD卡与STM32的连接

该系统使用STM32内部接口SPIl与SD卡进行通信,下面介绍其引脚连接情况。

PE3:低电平有效,连接到SD卡的片选引脚CD/DAT3。SPI在和SD卡进行通信时,需要将PE3拉低才能对SD卡进行操作。

PA7:映射为STM32内部接口SPIl的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备,SD卡是从设备。数据流的传输方向是从STM32 传输给SD卡。该信号线用于传输一些控制命令来完成SD卡的操作,如读、写等。

PA5:已连接到STM32内部接口SPIl的时钟(SCLK)信号线。可设置SPI的时钟频率来调整读取SD卡数据的快慢。

PA6:已连接到STM32内部接口SPIl的主输入从输出(MISO)信号线。数据的传输方向是从SD卡传输给STM32,主要返回SD卡的一些状态、内部寄存器值等。

PCI2:用于检测SD卡是否完全插入。当SD卡完全插入时,PCl2为低电平,否则为高电平。

3.2 VSl003与STM32的连接

该系统使用STM32内部接口SPl2与VSl003进行通信,下面介绍其引脚连接情况。

PA3:VSl003的中断请求引脚。当VSl003内部数据已处理完毕,需要新的数据时,将DREQ拉高。STM32根据这个信号来给VSl003发送新的数据流。

PBl3:已连接到STM32内部接口SPI2的时钟(SCLK)信号线。

PBl4:已连接到STM32内部接口SPI2的主输入从输出(MISO)信号线。这里STM32是主设备,VSl003是从设备。数据流的传输方向是从 VSl003传输给STM32。主要用于读取VSl003的一些状态和内部寄存器值,比如寄存器测试返回的内部寄存器的值。

PBl5:已连接到STM32内部接口SPl2的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备,VSl003是从设备。数据流方向是从 STM32传输给VSl003,主要传输给VSl003一些控制命令、MP3/WMA数据流等。

PAl:低电平有效,如果拉低该引脚,那么通过SPI传输的是控制信号。控制信号包括读写VSl003的内部寄存器、对VSl003进行初始化、设置左右声道音量等。PA2:低电平有效,如果拉低该引脚,那么通过SPI传输的是数据信号。比如在向VSl003传输MP3/WMA的数据流时需要拉低该引脚。

PA0:低电平有效,拉低该引脚则硬件复位VSl003。

4 系统软件设计

本系统的软件由集成开发工具 RealView MDK专业版开发,它具有强大的编译、链接和调试功能。软件结构如图3所示。本系统的工作过程大致为:STM32通过SPIl从SD卡中读取 MP3/WMA文件,将所读取的数据流通过SPl2发送到VSl003解码器中播放;PC机可通过USB总线读写SD卡的内容,传送MP3/WMA等文件;LCD显示屏用于显示MP3的文件名、播放状态。五维摇杆左右摇动控制播放上一首/下一首,上下摇动控制音量,按下则控制播放/暂停。

3.gif

由于SPIl读取SD卡文件的速度远超过VSl003播放数据流的速度,因此VSl003在播放来自SPI2的数据流期间,SPIl能从SD卡中读取下次播放所需的数据,不会产生声音不连续的情况。由于使用了2个SPI接口,相互之间无干扰,且提高了文件系统的效率,因此本系统能得到非常高品质的音乐。

限于篇幅,下面仅介绍软件的两个核心模块。

4.1 SD模块

SD模块主要提供SD卡驱动以及对 FAT文件系统操作的函数,FAT文件系统支持长文件名。该模块主要含有2个文件msd.c和fatl6.c。下面分别介绍其主要函数的功能。

4.1.1 msd.c

该文件用于提供SD卡的驱动,主要包括以下函数。

    SPI_Config:配置与SD卡相连接的SPIl及相关GPIO。
    MSD_Init:初始化SD卡通信。
    Get_Medium_Characteristics:获取SD卡的容量和块大小等相关信息。
    MSD_GoIdleState:令SD卡处于空闲态。
    MSD_SendCmd:向SD卡发送命令。
    MSD_GetResponse:从SD卡获取响应。
    MSD_GetStatus:获取SD卡的状态。
    MSD_WriteBlock:向SD卡写入1个块的数据。
    MSD_ReadBlock:从SD卡读取1个块的数据。
    以下是函数MSD_ReadBlock的实现:

4.gif
5.gif

4.1.2 fatl6.c

该文件提供对FATl6文件系统的支持,主要包含以下函数。

    ReadMBR:读取MBR数据结构。
    ReadBPB:读取BPB数据结构。
    ReadFAT:读取文件分配表指定项。
    ReadBloek:读取SD卡的一个扇区。
    FAT_Init:获取FATl6文件系统的基本信息。
    DirStartSec:获取根目录的开始扇区号。
    DataStartSec:获取数据区的开始扇区号。
    ClusConvLBA:获取一个簇的开始扇区号。
    LBAConvClus:转换扇区号与簇号之间的关系。
    GetFileName:获取指定文件的首扇区号。
    ListDateTime:列出文件或子目录创建的时间日期。
    SearchFoler:在指定范围内查找文件或子目录。
    ListDir:列出指定范围内的文件或子目录及相关信息。
    FAT_FileOpen:打开指定文件。
    FAT_FileRead:读取文件数据。

4.2 VSl003模块

VSl003模块主要提供对解码芯片VSl003的驱动,为应用层播放音频数据、控制音量声道等提供基本接口。该模块主要含文件vsl003.c。其主要函数的功能如下。

    vsl003.c文件主要提供VSL003芯片的驱动,包含以下几个主要函数。
    VSL003_Config:配置STM32与VSl003连接的相关引脚,包括SPl2、PA0、PAl、PA2、PA3。
    SPIGetChar:通过SPI从VSl003读取1个字节。
    SPIPutChar:通过SPI向VSl003写入1个字节。如果是MP3/WMA数据流,则VSl003将开始解码并播放。
    Mp3ReadRegister:读取VSl003寄存器的值。
    Mp3WriteRegister:写VSl003寄存器。
    Mp3Reset:VSl003复位,包括软件复位和硬件复位。
    Mp3SoftReset:VSl003软件复位,设置时钟、采样率、重音、音量、立体声等参数,一般在2首乐曲之间需要一次软件复位。
    VsSineTest:播放正弦声波,用于测试VSl003和STM32的连接是否完好。

结语

本文提出了一种基于STM32的MP3播放器设计方案,并使用ARM开发工具RealView MDK实现了该方案的原型。尽管该方案无法作为一个通用MP3的方案,但是对于某些音频需要的工业控制、汽车电子、医疗电子等方案具有一定的参考性。另外,本系统综合使用了STM32处理器的多个外围接口,也可供读者学习参考。

参考文献

   1. ST Microelectronics RM0008 Reference Manual(Medium and Hight-density STM32F101xx and STM32F103xx Advanced ARM-based 32-bit MCUs) 2008
   2. VLSI Solution VS1003 User Mannual.Version 1.03 2008
   3. ARM Limited Cortex-M3 Technical Reference Manual 2005
   4. 李宁 ARM 开发工具 ReaIView MDK使用入门 2008

作者:武汉理工大学 李宁  熊刚  徐良平
来源:单片机与嵌入式系统应用 2009 (2)
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