引言STM32系列微控制器采用ARM公司最新的CortexM3內(nèi)核\[1\]。VS1003音頻解碼芯片為VS10xx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\[2\]。本文采用STM32系列微控制器，結(jié)合解碼芯片VS1003、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VS1003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CortexM3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Thumb2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\[3\]。Thumb2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，CortexM3集成了嵌套向量中斷控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是CortexM3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emption）、尾鏈（Tailchaining）、遲到技術(shù)（Latearriving）的使用，大大縮短了異常事件的響應(yīng)時(shí)間。CortexM3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\[3\]。CortexM3體系架構(gòu)提出了新的單線調(diào)試技術(shù)，CortexM3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（SWDP）或串行JTAG調(diào)試端口（SWJDP，允許JTAG或SW協(xié)議）使用\[3\]。其中SWDP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\[4\]。此外CortexM3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CortexM3核的微控制器，它在CortexM3內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了高性能的外圍設(shè)備。2 VS1003 MP3/WMA音頻編解碼器VS1003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5.5 KB 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。VS1003的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示\[2\]。MP3播放過程是STM32通過SPI1接口將數(shù)據(jù)從SD卡中取出，然后通過SPI2接口送至解碼芯片VS1003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VS1003、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VS1003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SPI1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SPI1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SPI1的時(shí)鐘(SCLK)信號線。可設(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SPI1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。PC12：用于檢測SD卡是否完全插入。當(dāng)SD卡完全插入時(shí)，PC12為低電平，否則為高電平。3.2 VS1003與STM32的連接該系統(tǒng)使用STM32內(nèi)部接口SPI2與VS1003進(jìn)行通信，下面介紹其引腳連接情況。PA3：VS1003的中斷請求引腳。當(dāng)VS1003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VS1003發(fā)送新的數(shù)據(jù)流。PB13：已連接到STM32內(nèi)部接口SPI2的時(shí)鐘(SCLK)信號線。PB14：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，VS1003是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流的傳輸方向是從VS1003傳輸給STM32。主要用于讀取VS1003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。PB15：已連接到STM32內(nèi)部接口SPI2的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設(shè)備，VS1003是從設(shè)備。數(shù)據(jù)流方向是從STM32傳輸給VS1003，主要傳輸給VS1003一些控制命令、MP3/WMA數(shù)據(jù)流等。PA1：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VS1003的內(nèi)部寄存器、對VS1003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VS1003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VS1003。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SPI1從SD卡中讀取MP3/WMA文件，將所讀取的數(shù)據(jù)流通過SPI2發(fā)送到VS1003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SPI1讀取SD卡文件的速度遠(yuǎn)超過VS1003播放數(shù)據(jù)流的速度，因此VS1003在播放來自SPI2的數(shù)據(jù)流期間，SPI1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fat16.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SPI1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)：u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead){u32 i = 0;u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;MSD_CS_LOW();//拉低片選信號，選中SD卡MSD_SendCmd(MSD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF);//發(fā)送讀取塊命令//檢測SD卡是否有返回信息，若是則返回0x00if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR)){if (!MSD_GetResponse(MSD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ)){//等待數(shù)據(jù)令牌，標(biāo)志數(shù)據(jù)傳輸開始for (i = 0; i < NumByteToRead; i++){//讀取數(shù)據(jù)*pBuffer = MSD_ReadByte(); //緩存收到的數(shù)據(jù)pBuffer++;//緩存指針后移}rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;//修改rvalue的值為成功}}MSD_CS_HIGH();//拉高片選信號，禁用SD卡MSD_WriteByte(DUMMY);//寫無效字節(jié)，傳輸結(jié)束return rvalue;//返回}4.1.2 fat16.c該文件提供對FAT16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)。ReadBlock：讀取SD卡的一個(gè)扇區(qū)。FAT_Init：獲取FAT16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 VS1003模塊VS1003模塊主要提供對解碼芯片VS1003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vs1003.c。其主要函數(shù)的功能如下。vs1003.c文件主要提供VS1003芯片的驅(qū)動，包含以下幾個(gè)主要函數(shù)。VS1003_Config：配置STM32與VS1003連接的相關(guān)引腳，包括SPI2、PA0、PA1、PA2、PA3。SPIGetChar：通過SPI從VS1003讀取1個(gè)字節(jié)。SPIPutChar：通過SPI向VS1003寫入1個(gè)字節(jié)。如果是MP3/WMA數(shù)據(jù)流，則VS1003將開始解碼并播放。Mp3ReadRegister：讀取VS1003寄存器的值。Mp3WriteRegister：寫VS1003寄存器。Mp3Reset：VS1003復(fù)位，包括軟件復(fù)位和硬件復(fù)位。Mp3SoftReset：VS1003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VS1003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??器的多個(gè)外圍接口，也可供讀者學(xué)習(xí)參考。(mbbeetchina)