基于STM32的嵌入式MP3播放器的研究

山東科技大學 張學慧 朱愛珍

1.引言

MP3是一種高質量音樂壓縮標準，采用MP3壓縮的數據量可以縮小到1/12，音質卻沒有多少損失。由于MP3音樂的較小數據量和高質量的播放效果，使它很快成為一種集音頻播放、數據存儲為一身的數碼產品，并深受人們的喜愛。本文設計的MP3是基于ARM公司最新Cortex-M3內核的STM32控制器，利用該處理器內置的SPI接口對SD存儲卡進行控制，并對MP3音頻文件進行解碼實現MP3的播放。系統實現的功能：播放VS1003支持的MP3、WMA等音頻文件，且具有歌詞同步功能；控制播放上一首/下一首，音量增減；通過LCD顯示音量圖標和播放狀態等。

2.系統方案設計[1]

系統采用STM32為主控制器有不可或缺的優勢，STM32系列是意法半導體基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。時鐘頻率72MHz，功耗36mA，是32位市場上性價比最高的產品。系統主要由控制模塊、電源模塊、音頻解碼模塊、SD卡模塊、人機交互模塊組成。其結構框圖如圖1所示。

系統的工作流程：STM32處理器讀取SD存儲卡里的MP3音樂文件數據，通過SPI傳輸至音頻解碼芯片經過解碼轉換，再送至耳機聽筒。SPI總線控制音頻DAC芯片的參數實現音量控制等功能。使用人機交互設備實現播放/暫停、上一曲/下一曲等控制功能和顯示播放狀態。

3.系統的硬件設計

圖1 系統結構框圖

系統的硬件設計包含控制器及各模塊芯片的選型和相關電路的設計。

3.1 STM32控制器電路設計

STM32系列32位微控制器基于Cortex-M3內核，旨在為MCU用戶提供新的開發自由度。它具有高性能、低功耗、低電壓等特性，同時還具有高集成度和易于開發的特點，使該系列產品成為小型項目和作為完整平臺的理想選擇[2]。STM32的使用需要一個最小系統，包括晶振電路，復位電路。

1）晶振電路的設計：晶振電路用于向處理器提供工作時鐘。本系統使用無源晶振X1作為系統的主振蕩器，一個32.768kHz的晶振作為內置實時時鐘（RTC）振蕩器[3]。晶體振蕩器的連接如圖2所示。

晶振的負載電容應當按照要求選取，電容不正確可能導致晶振起振緩慢甚至不起振，這將影響整個系統的穩定性。

2）復位電路的設計：采用簡單的“RC＋按鍵”復位形式，該復位電路可以實現上電自動復位和手動按鍵復位[3]。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的，按鍵復位是通過復位端經電阻與電源VCC接通而實現的。

3.2 電源電路的設計

系統中硬件電路的輸入電源需要5V、3.3V和2.5V。對于5V電源輸入，本著設計簡單、有效的原則采用USB供電，而且還可以通過USB線直接對SD的文件進行操作，實現即插即用。

對于3.3V和2.5V電源輸入，這些電源要求的功率都不大，可以采用B1117-2.5和B1117-3.3穩壓芯片來提供。3.3V的電源輸入如圖3所示，2.2V電源輸入與之類似。

3.3 音頻解碼電路的設計

圖2 晶振電路

圖3 3.3V電源輸入

由于使用了ARM處理器，MP3的解碼方法有兩種，一是通過ARM處理器軟解碼，通過對MP3數據格式的解析實現MP3播放。二是通過外部解碼芯片解碼。前者對處理器運算要求高，在解碼高碼率的MP3時，STM32的處理能力不足，得不到好的解碼效果，而且STM32解碼之后還需要外部的DAC來做音頻輸出，所以采用后者。

MP3解碼芯片選擇的是由芬蘭VLSI公司出品的一款單芯片MP3/WMA音頻解碼芯片VS1003，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核，5K的指令ROM，0.5K的數據RAM，串行控制和數據輸入接口，同時片內帶有一個可變采樣速率的ADC、一個立體聲DAC以及音頻耳機放大器接口，還可以調節音量高低。其電路設計及與主控制器的連接如圖4所示。

VS1003與處理器的數據通信是通過SPI總線方式進行的。VS1003主要通過串行命令接口(SCI)和串行數據接口(SDI)來接收STM32控制器的控制命令和MP3的數據。通過XCS、XDCS引腳的置高、置低來確認是哪一個接口處于傳送狀態。對VS1003芯片的功能控制，如初始化、暫停、音量控制的讀取等，均是通過SCI寫入到特定寄存器來實現的。

圖4 音頻解碼電路

圖6 人機交互設備電路

3.4 SD卡模塊

SD卡在日常生活與工作中使用非常廣泛，已經成為最為通用的數據存儲卡。在MP3、數碼相機等設備上也都采用SD卡作為存儲設備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用，是因為它價格低廉、存儲容量大、安全性強等優點。SD卡支持兩種總線方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，而SPI方式采用4線制，使用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用SPI模式。因此設計中使用STM32內部接口SPI1與SD卡進行通信[4]，圖5是其引腳連接情況。

3.5 人機交互設備模塊

人機交互設備包括輸入設備和輸出設備，對于輸出設備，采用彩色液晶屏，這里選擇一款2.8寸的TFT液晶屏ILI9341，其分辨率為320*240，工作模式為8位數據模式，與MCU的通訊所需IO口較少，速度也較快。輸入設備為了使控制方便，人性化，采用觸摸屏實現。觸摸屏的控制芯片選擇由TI公司生產的12位四線觸摸屏控制芯片ADS7843，因為該芯片的精度是12Bit，有很高的分辨率，有利于屏幕控制精度的提高。LCD與主控制器是SPI接口方式。其電路設計如圖6所示。

4.系統軟件設計

4.1 系統軟件開發平臺

Cortex-M3是ARM公司推出的最新的針對控制器應用的內核，提供業內領先的高性能和低成本的解決方案。但目前能夠支持Cortex-M3架構的開發工具很少，而MDK是ARM公司推出目前性價比最高的支持Cortex-M3處理器的開發工具。故本次設計的軟件平臺是建立在MDKμVision3之上的[5]。

4.2 軟件設計基礎

1）FAT文件系統：MP3播放器支持FAT文件系統，以便識別出SD卡上的音樂文件，需要文件系統存儲數據的原理，協議，格式等。根據對文件系統的掌握，通過跑在RTX實時操作系統上的MP3驅動程序和應用程序，將存儲在SD卡上MP3數據文件讀取出來，并進行正常的播放。

2）GUI圖形用戶界面：系統中的MP3界面是基于GUI圖形界面，采用圖形方式顯示MP3操作用戶界面在視覺上更易于接受?？梢酝ㄟ^窗體、菜單、按鍵等方式來方便的進行操作。

4.3 軟件模塊化設計

從整個系統來說，按其與硬件是否直接相關，可以把軟件分為兩大部分：

（1）與硬件相關的底層驅動軟件子系統，包括LCD驅動模塊、觸摸屏驅動模塊、SD卡驅動模塊、VS1003驅動模塊。

圖5 SD卡連接

圖7 程序設計流程圖

（2）與硬件無關的應用軟件子系統，包括FAT文件系統管理模塊和音樂播放模塊。主程序的設計流程如圖7所示。

系統啟動后，先初始化STM32處理器，再初始化各硬件模塊，完成底層驅動。由MCU通過FAT文件系統接口讀取SD卡的一些基本信息，如容量、FAT表及根目錄所在的啟始扇區等。通過獲得這些信息，就可以找出SD卡是否有我們可以播放的音樂文件。若有音樂文件，處理器將通過SPI總線方式讀出該文件的音頻信息，并將歌曲的數據流信息送入到解碼芯片中，通過VS1003芯片解碼以及其內含的高質量的立體DAC和耳機驅動電路，實現MP3歌曲的播放。在觸摸屏的控制下，通過LCD中菜單選項實現歌曲選擇和音量控制。

5.總結

本文提出了一種基于STM32的嵌入式MP3播放器的設計方案，硬件上重點介紹了各模塊的電路設計，軟件上介紹了需要的嵌入式知識和主程序的流程。該方案對于需要嵌入式媒體播放器的工業控制、車載播放器等行業具有一定的研究價值。方案設計中涉及到很多內容，包括芯片的選型與設計，實時操作系統移植，FAT文件管理系統，GUI圖形用戶界面，對嵌入式的設計具有一定的參考性。整個系統設計簡潔，可靠性高，具有很高的性價比。

[1]程磊.基于STM32的MP3播放器的設計[J].技術創新,2011(12).

[2]王永虹,徐煒,郝立平等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京航空航天大學出版社,2008.

[3]江力,蔡駿等.單片機原理與應用技術[M].清華大學出版社,2006.

[4]潘浩.嵌入式MP3播放系統研究[D].北方工業大學,2008.

[5]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京航空航天大學出版社,2008.