基于STC單片機WAVE音樂播放器的設計與實現

劉垣　李外云　趙嘉怡

摘 要：目前市場上便攜式的WAVE播放器大部分基于32位處理器，其資源利用率較低，而且價格偏高。針對上述情況，文章充分利用8位STC15系列單片機的串行外圍設備SPI接口和脈寬調制PWM輸出等功能，結合開源的FatFS文件系統，完成對SD卡上存儲的WAVE音頻文件進行讀取、DAC轉換，然后通過有源低通濾波器，實現對WAVE音頻文件的播放。實驗結果表明本文設計的WAVE播放器不僅硬件電路簡單，成本低廉，而且播放效果完全達到CD音質級別。

關鍵詞：STC15單片機；WAVE播放；SD卡；Petit Fat文件系統

引言

隨著電子技術的發展，數字音頻應用系統在我們現實生活中隨處可見，比如電梯、商場、電子玩具、報警器等。數字音頻技術的基本原理和處理方法就是采用ADC（Analog-to-Digital Converter）模/數轉化，對模擬的音頻信號進行采樣、量化、編碼，然后轉換成數字化的音頻數據和文件進行保存。在播放時，再將數字化的音頻數據經過DAC（Digital-to-Analog Converter）數/模轉換，恢復到模擬信號形式由發生器件播放出來。目前市場上便攜式的WAVE音樂播放器大部分基于32位處理器，其資源利用率較低，價格偏高。而本設計充分利用8位STC15系列單片機的PWM功能對WAVE文件的采樣數據進行DA轉化方便得實現了WAVE音頻文件的播放。

1 系統硬件

本系統采用STC15F2K60S2型號的單片機，以單片機為核心控制整個系統。利用單片機的SPI接口實現與SD卡物理接口的通信，完成SD卡上WAVE音頻文件的讀取，再將得到的采樣數據通過單片機的PWM功能進行DA轉換，經過低通濾波器實現模擬音頻數據的輸出。

1.1 系統硬件組成

本系統的組成框圖如圖1所示，硬件結構主要包括單片機最小系統[1]、SD卡接口電路、按鍵電路、低通濾波電路和耳機接口幾部分。其中單片機與SD卡的通信采用SPI接口方式，STC單片機為主機，SD卡為從機；STC單片機PCA模塊輸出的PWM信號通過低通濾波器最終連接到耳機接口；單片機的I/O口連接4×1獨立按鍵，用于控制和選擇音頻數據文件的播放。

要實現WAVE音頻文件的讀取，并且實現高質量播放效果，SD卡接口電路和有源低通濾波電路是最為關鍵的兩部分，下面將對其進行重點介紹。

1.1.1 SD卡接口電路

SD卡具體的接口電路如圖2所示。SD卡規范[2]規定了SD卡的工作電壓為3.3 V（2.7～3.6V），因此采用電源穩壓芯片AMS1117-3.3將5V電源轉換到3.3V供SD卡使用。電阻R4～R9組成了3個分壓電路，用于將STC的5V引腳輸出電平轉換成3.3V。此時SD卡才可以正常工作。

硬件設計好之后還需要實現SD卡的接口驅動。接口驅動的實現是通過單片機的SPI總線編程。SPI總線是一個面向字節的全雙工4線串行通信接口。SPI總線系統包括一個主機和一個從機，雙方之間通過4根信號線相連，分別是：主機輸出/從機輸入（MOSI），主機的數據傳入從機的通道；主機輸入/從機輸出（MISO），從機的數據傳入主機的通道；同步時鐘信號（SCLK），同步時鐘是由SPI主機產生的，并通過該信號傳送給從機，主機與從機之間的數據接收和發送都以該同步時鐘信號為基準進行；從機選擇（SS），該信號由主機發出，從機只在該信號有效時響應SCLK的時鐘信號開始通信。

SPI通信的本質是在同步時鐘作用下進行串行移位，其通信的工作模式和時序在SPI總線規范[3]中進行了詳細的描述。根據SD卡總線時序[4]，并針對STC15F2K60S2型號單片機，本系統實現了以下幾個驅動函數，分別為初始化函數、接收字節函數和發送字節函數。

1.1.2 有源低通濾波電路

有源低通濾波電路由集成運放和無源元件電阻和電容構成。它的功能是允許從零到某個截止頻率的信號無衰減地通過，而對其他頻率的信號有抑制作用。

本系統設計的有源低通濾波電路為二階低通濾波電路[5]，其通帶放大倍數與一階電路相同，可由公式（1）得到。衰減斜率達每十倍頻40dB。由于運放電路中的電阻不宜選擇過大或過小，一般為幾千歐至幾十千歐較合適，因此低通濾波電路的電阻值R1=14K？贅，R2=10K？贅，電容值C1=1nF，C2=1nF。將電阻電容值帶入公式（2）得到該有源低通濾波器的截止頻率約為13kHz。為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響，應使R1+R2=R3//R4，這里取R3=68K？贅，R4=39.8K？贅。將電阻R3、R4的阻值帶入公式（1）可得到通帶增益為1.58。

1.2 PWM方式DAC轉換

PWM是脈沖寬度調制的簡稱。一個典型PWM的波形如圖3所示，圖中T是PWM波的周期，T1是高電平的寬度，VCC是高電平值。當該PWM信號通過一個低通濾波器后，可以得到其輸出的平均電壓為V，如公式（3）所示

V=VCC×T1/T （3）

公式中：T1/T稱為PWM波的占空比。控制T1的寬度，即可改變PWM的占空比，得到不同的平均輸出電壓。因此，在實際應用中，常利用PWM波的輸出實現D/A轉換。

STC15系列單片機的PCA模塊要想實現PWM模式需要設定相關的寄存器。主要的寄存器有CMOD定時/計數器工作模式寄存器、CCON定時/計數器控制寄存器、CCAPMn比較/捕獲模式控制寄存器，每個寄存器的具體定義可參考STC15F2K60S2的官方數據手冊。要設置PCA模塊的PWM模式，CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必須置位，PCA模塊的時鐘源頻率選擇11.2896MHz，產生的PWM頻率為44.1kHz，其計算公式為

fpwm=Sclk/256 （4）

由于PCA模塊產生的PWM頻率是恒定的44.1kHz，因此，播放44.1kHz的音頻時，每個采樣點播放一次。當播放8kHz的音頻時，每個采樣點則以44.1kHz的頻率平均播放了5.5次，這樣保證了PWM產生的高頻噪聲總在44kHz以上，使濾波后的模擬信號更加平滑，以獲得更好的音頻輸出效果。

本設計為了讀取不同采樣頻率的WAVE文件（包括8K、22.1K、44.1K三個頻率），還需要一個定時器實現不同采樣頻率的播放。該定時器設置為16位自動重載模式，其中斷間隔是可調整的。在開始讀取準備播放的WAVE文件時，程序將讀取該文件的采樣頻率參數，自動調整定時器T0的中斷頻率與其相同，并在中斷服務程序中將下一個音頻數據更換到CCAPOH和CCAPOL寄存器中，這樣就保證了音頻數據的同步播放。

2 系統軟件設計

本系統軟件設計主要包括三個部分，分別是文件系統移植、SD卡操作命令、上層應用程序控制。

2.1 文件系統移植

PC機上可以直接寫入數據文件到SD卡，而嵌入式系統讀取數據則必須通過建立文件系統來讀取。本設計使用了一個免費的文件系統PetitFatFS（PetitFATFileSystemModule）。它是一位日本嵌入式工程師編寫的通用軟件模塊，它與FAT文件系統兼容。他的個人網站提供了用C語言編寫的源代碼以及在不同硬件平臺上移植與使用的實例。

本系統設計移植了AVR版本的PetitFatFS文件系統到STC15單片機上，由于PetitFatFS文件系統是通用的，所以它不依賴于底層模塊。底層I/O模塊不是PetitFatFS文件系統的一部分，因此，底層讀取物理存儲介質的函數必須由用戶編寫。主要的函數有兩個，第一個是disk_intialize函數，用于存儲介質的初始化；第二個是disk_readp函數，用于讀取SD卡的一個扇區，是磁盤操作的核心函數。

2.2 SD卡操作命令

在建立了SD卡物理接口層SPI的基礎上，僅僅可以實現簡單的面向字節的數據通道。SD卡規范制定了一組建立在SPI總線上的SD卡操作命令，通過發送不同的操作命令可以實現對SD卡的復位、初始化以及讀寫操作。其具體的命令格式和命令應答字格式參考SD卡規范。

針對SD卡的操作命令時序，首先要對SD卡實施上電復位操作，復位操作時SCLK的時鐘頻率應該在400kHz以下。SD卡在上電后默認采用SDIO接口方式，在CS高電平的情況下，先通過SCLK送72個以上的時鐘信號到SD卡，等待SD卡內部工作電源穩定，以完成SD卡的時鐘與SCLK的同步。然后拉低片選CS，發送復位命令CMD0，此時SD卡自動轉換成SPI接口方式。STC單片機開始接收SD卡的應答字，如果收到0x01，表示SD卡上電復位成功。接著進行SD卡的初始化操作，需要使用CMD55+ACMD41兩條命令，當單片機收到0x00的應答后，整個SD卡初始化工作完成。完成SD卡的初始化后，就可以通過CMD指令對SD卡進行讀寫操作了。

2.3 主函數控制

關于主函數部分，包括了STC15單片機定時器與PCA模塊的初始化、中斷處理函數、按鍵控制、音頻wav的解析和音頻數據的讀取與播放。

如圖4所示為主程序和中斷服務程序的流程圖，程序運行過程如下：

3 系統測試及結論

通過Keil開發環境對程序進行編譯和鏈接，將生成的hex文件下載到目標硬件平臺運行。通過測試發現，該系統能完成8K、22.1K、44.1K三個采樣頻率WAVE文件的播放，播放效果可以達到CD音質。相比于32位微處理器該WAVE音樂播放器硬件電路簡單，成本低廉，具有很大的實用參考價值。

參考文獻

[1]李全利.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]Elm-chan.PetitFATFileSystemModule[EB/OL].（2014-06-10）[2015-01-04]http：//elm-chan.org/fsw/ff/00index_p.html.

[4]STC15F2K60S2MCUUser'smanual[EB/OL].（2014-07-02）[2015-01-04]http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15.pdf

[5]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.