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引言 STM32系列微控制器采用ARM公司最新的Cortex—M3內核。VSl003音頻解碼芯片為VSlOxx系列的第三代產品，是芬蘭VLSI Solution公司生產的單片MP3／WMA／MIDI解碼和ADPCM編碼芯片。本文采用STM32系列微控制器，結合解碼芯片VSl003、SD 卡、LCD等外圍設備設計并實現了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；本系統還實現了讀卡器功能，PC機可通過USB接口直接對開發板上的SD卡進行讀寫操作，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體系架構的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特點，專門為嵌入式應用領域設計。 ARMv7架構采用了Thumb一2技術，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術的基礎上發展起來的，并且保持了對現存ARM解決方案完整的代碼兼容性。 Thumb一2技術比純ARM代碼少使用31％的內存，減小了系統開銷，同時能夠提供比Thumb技術高出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處理器的一個緊耦合部分，可以配置1～240個帶有256個優先級、8級搶占優先權的物理中斷，為處理器提供出色的異常處理能力。同時，搶占(Pre—eruption)、尾鏈(Tail-chaining)、遲到技術(Late—arri- ving)的使用，大大縮短了異常事件的響應時間。Cortex—M3異常處理過程中由硬件自動保存和恢復處理器狀態，進一步縮短了中斷響應時間，降低了軟件設計的復雜性。 Cortex—M3體系架構提出了新的單線調試技術，Cortex—M3處理器的跟蹤調試是通過調試訪問端口(Debug Access Port，DAP)來實現的。DAP端口可以作為串行線調試端口(SW—DP)或串行JTAG調試端口(SWJ—DP，允許JTAG或SW協議)使用。其中SW—DP只需要時鐘和數據2個引腳，實現低成本跟蹤調試，避免使用多引腳進行JTAG調試，并全面支持RealView編譯器和RealView調試產品。此外Cortex—M3還具備高度集成化的特點，大大減小了芯片面積，內部集成了許多緊耦合系統外設，合理利用了芯片空間，使系統滿足下一代產品的控制需求。 STM32系列是基于Cortex—M3核的微控制器，它在Cortex—M3內核的基礎上擴展了高性能的外圍設備。 2 VSl003 MP3／WMA音頻編解碼器 VSl003內部包含1個高性能、低功耗的DSP處理核(VSDSP)，1個工作內存，1片可供用戶程序使用的5．5KB RAM，1個串行SPI總線接口，1個高質量的采樣頻率可調的過采樣DAC以及1個16位的采樣ADC。VSl003的內部結構如圖1所示。 
MP3播放過程是STM32通過SPIl接口將數據從SD卡中取出，然后通過SPl2接口送至解碼芯片VSl003解碼播放。這里解碼模塊單獨使用一個 SPI接口，以減小干擾和噪聲、提高音質。 3 系統硬件設計 本系統在硬件上分為6個模塊：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。系統硬件框架如圖2所示。
下面分別介紹系統的存儲模塊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 該系統使用STM32內部接口SPIl與SD卡進行通信，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卡進行通信時，需要將PE3拉低才能對SD卡進行操作。 PA7：映射為STM32內部接口SPIl的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設備，SD卡是從設備。數據流的傳輸方向是從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內部接口SPIl的時鐘(SCLK)信號線。可設置SPI的時鐘頻率來調整讀取SD卡數據的快慢。 PA6：已連接到STM32內部接口SPIl的主輸入從輸出(MISO)信號線。數據的傳輸方向是從SD卡傳輸給STM32，主要返回SD卡的一些狀態、內部寄存器值等。 PCI2：用于檢測SD卡是否完全插入。當SD卡完全插入時，PCl2為低電平，否則為高電平。 3．2 VSl003與STM32的連接 該系統使用STM32內部接口SPl2與VSl003進行通信，下面介紹其引腳連接情況。 PA3：VSl003的中斷請求引腳。當VSl003內部數據已處理完畢，需要新的數據時，將DREQ拉高。STM32根據這個信號來給VSl003發送新的數據流。 PBl3：已連接到STM32內部接口SPI2的時鐘(SCLK)信號線。 PBl4：已連接到STM32內部接口SPI2的主輸入從輸出(MISO)信號線。這里STM32是主設備，VSl003是從設備。數據流的傳輸方向是從 VSl003傳輸給STM32。主要用于讀取VSl003的一些狀態和內部寄存器值，比如寄存器測試返回的內部寄存器的值。 PBl5：已連接到STM32內部接口SPl2的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設備，VSl003是從設備。數據流方向是從 STM32傳輸給VSl003，主要傳輸給VSl003一些控制命令、MP3／WMA數據流等。 PAl：低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI傳輸的是控制信號。控制信號包括讀寫VSl003的內部寄存器、對VSl003進行初始化、設置左右聲道音量等。PA2：低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI傳輸的是數據信號。比如在向VSl003傳輸MP3／WMA的數據流時需要拉低該引腳。 PA0：低電平有效，拉低該引腳則硬件復位VSl003。 4 系統軟件設計 本系統的軟件由集成開發工具 RealView MDK專業版開發，它具有強大的編譯、鏈接和調試功能。軟件結構如圖3所示。本系統的工作過程大致為：STM32通過SPIl從SD卡中讀取 MP3／WMA文件，將所讀取的數據流通過SPl2發送到VSl003解碼器中播放；PC機可通過USB總線讀寫SD卡的內容，傳送MP3／WMA等文件；LCD顯示屏用于顯示MP3的文件名、播放狀態。五維搖桿左右搖動控制播放上一首／下一首，上下搖動控制音量，按下則控制播放／暫停。
由于SPIl讀取SD卡文件的速度遠超過VSl003播放數據流的速度，因此VSl003在播放來自SPI2的數據流期間，SPIl能從SD卡中讀取下次播放所需的數據，不會產生聲音不連續的情況。由于使用了2個SPI接口，相互之間無干擾，且提高了文件系統的效率，因此本系統能得到非常高品質的音樂。 限于篇幅，下面僅介紹軟件的兩個核心模塊。 4．1 SD模塊 SD模塊主要提供SD卡驅動以及對 FAT文件系統操作的函數，FAT文件系統支持長文件名。該模塊主要含有2個文件msd．c和fatl6．c。下面分別介紹其主要函數的功能。 4．1．1 msd．c 該文件用于提供SD卡的驅動，主要包括以下函數。 SPI_Config：配置與SD卡相連接的SPIl及相關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信息。 MSD_GoIdleState：令SD卡處于空閑態。 MSD_SendCmd：向SD卡發送命令。 MSD_GetResponse：從SD卡獲取響應。 MSD_GetStatus：獲取SD卡的狀態。 MSD_WriteBlock：向SD卡寫入1個塊的數據。 MSD_ReadBlock：從SD卡讀取1個塊的數據。 以下是函數MSD_ReadBlock的實現：
4．1．2 fatl6．c 該文件提供對FATl6文件系統的支持，主要包含以下函數。 ReadMBR：讀取MBR數據結構。 ReadBPB：讀取BPB數據結構。 ReadFAT：讀取文件分配表指定項。 ReadBloek：讀取SD卡的一個扇區。 FAT_Init：獲取FATl6文件系統的基本信息。 DirStartSec：獲取根目錄的開始扇區號。 DataStartSec：獲取數據區的開始扇區號。 ClusConvLBA：獲取一個簇的開始扇區號。 LBAConvClus：轉換扇區號與簇號之間的關系。 GetFileName：獲取指定文件的首扇區號。 ListDateTime：列出文件或子目錄創建的時間日期。 SearchFoler：在指定范圍內查找文件或子目錄。 ListDir：列出指定范圍內的文件或子目錄及相關信息。 FAT_FileOpen：打開指定文件。 FAT_FileRead：讀取文件數據。 4．2 VSl003模塊 VSl003模塊主要提供對解碼芯片VSl003的驅動，為應用層播放音頻數據、控制音量聲道等提供基本接口。該模塊主要含文件vsl003．c。其主要函數的功能如下。 vsl003．c文件主要提供VSL003芯片的驅動，包含以下幾個主要函數。 VSL003_Config：配置STM32與VSl003連接的相關引腳，包括SPl2、PA0、PAl、PA2、PA3。 SPIGetChar：通過SPI從VSl003讀取1個字節。 SPIPutChar：通過SPI向VSl003寫入1個字節。如果是MP3／WMA數據流，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復位，包括軟件復位和硬件復位。 Mp3SoftReset：VSl003軟件復位，設置時鐘、采樣率、重音、音量、立體聲等參數，一般在2首樂曲之間需要一次軟件復位。 VsSineTest：播放正弦聲波，用于測試VSl003和STM32的連接是否完好。 結語 本文提出了一種基于STM32的MP3播放器設計方案，并使用ARM開發工具RealView MDK實現了該方案的原型。盡管該方案無法作為一個通用MP3的方案，但是對于某些音頻需要的工業控制、汽車電子、醫療電子等方案具有一定的參考性。另外，本系統綜合使用了STM32處理器的多個外圍接口，也可供讀者學習參考。 參考文獻 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. 李寧 ARM 開發工具 ReaIView MDK使用入門 2008 作者：武漢理工大學 李寧 熊剛 徐良平 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (2) |
