基于STM 32的多功能MP3播放器設計

杜建銘，師文慶

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

1986年，卡爾因茨·布蘭登堡提出：通過編碼重組技術大幅度壓縮音頻文件，在播放時使用專門的解碼技術進行還原，以此達到減小音樂文件大小的同時保持音質的目的。自此之后，播放器不斷地改進、完善。1990年，布蘭登堡得到一家音頻研究機構的幫助，為他提供了一個研究小組。在同年，布蘭登堡在實際的測試中把CD音質的音樂文件壓縮到原來的1∕12，并且順利地解碼播放，MP3技術就是由此而來。

MP3音樂播放器雖然已經誕生30多年，但仍然能在消費類電子產品有一席之位，原因在于其設計理念一直在變化，從而能夠持續地煥發生機與活力。目前國內市場上的MP3播放器，能夠播放若干種格式的音樂；所有的信息都直觀地顯示在一塊鏡面顯示屏上，靈敏觸摸屏取代了按鍵控制，大大簡便了用戶的操作；不僅如此，由于消費者愛好需要也十分廣泛，廠家往往費盡心思地為產品添加更多實用功能來增加產品的賣點，例如計步、藍牙、收音機、電子書等功能。由此可見，設計一款觸屏交互，且多功能的MP3音樂播放器不僅有實際的應用價值，并且是非常符合市場要求的。

基于以上描述，本設計選用STM32F103ZET6微處理器作為主控[1-2]，音樂解碼部分使用VS1053B，提供的硬件解碼功能，LCD顯示與電阻觸屏作為本設計的主要交互方式，要實現的主要功能有歌曲的切換、暫停∕播放、音量條的顯示及控制、播放進度的顯示及控制，在此基礎上添加多種實用功能，設計一款多功能MP3播放器，讓用戶在享受音樂之余還能體驗額外功能帶來的便利性。

1 系統總體方案概述

1.1 音頻的解碼方式

一般的音樂文件通常是經過編碼壓縮的，所以播放的時候需進行解碼才能輸出動聽的音樂。常規的解碼方式有軟解碼和硬解碼。

（1）軟解碼

軟解碼就是把一套解碼算法交給CPU去運算從而得到音頻數據，對CPU的運算速度有較高的要求[3]。

（2）硬解碼

硬解碼這種方式將解碼工作交給專門的解碼芯片，目前市面上的MP3播放器采用的大多數是硬解碼[4]。

在本設計中選擇了硬解碼，STM32僅需完成文件讀寫并分批量地輸送數據到解碼芯片上，運算量較小，不需移植第三方庫。

1.2 系統總體框架

系統由電阻觸摸屏、音頻解碼模塊、溫度傳感器、藍牙模塊、外部Flash存儲芯片、SD卡等模塊組成。利用溫度傳感器進行環境溫度的檢測；外部Flash存儲芯片用于保存字庫信息；藍牙模塊可供手機連接，通過手機藍牙發送指令來實現遠程控制MP3播放器。系統硬件結構框如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 主控芯片

STM32F103ZET6工作頻率為72 MHz，是基于意法半導體公司專為低成本、低功耗的嵌入式應用所設計的ARM架構32位Cortex-M3內核，內置512 K字節的閃存，64 k字節的SRAM作為運行內存，還具有豐富的通信接口，可以滿足本設計的需求[5]。

2.2 音頻解碼模塊

本設計采用VS1053B作為硬件解碼方案，是通過SPI接口來接收音頻數據的，模塊上的RST引腳提供了硬件復位功能，在歌曲切換前進行硬復位可減少切換歌曲時的雜音。VS1053B解碼完成的數據由其內置的DAC將數字音頻信號轉換成模擬音頻信號，而后輸出到VS1053B的LEFT與RIGHT引腳上，可以直接驅動耳機或是外接功放驅動揚聲器[6]。

2.3 溫度傳感器

DS18B20是常用的數字溫度傳感器，能夠將環境溫度轉換為數字電信號，是一種單總線接口的器件，只需一根數據線與主控的IO端連接口就可以實現通信，直流工作電壓范圍3.0~5.5 V，當測溫范圍在-10℃~+85℃，測溫誤差僅在±0.5℃，可以給本系統提供較精確的環境測溫功能[7]。

2.4 藍牙模塊

CC2541串口藍牙模塊，可直接與STM32的USART接口相連。令藍牙模塊的STATE引腳與STM32上的引腳相連，把引腳配置成下拉輸入，當藍牙連接建立之后，引腳上就會檢測到高電平，反之則為低電平，根據引腳上電平的變化，可把藍牙的連接狀態直觀的在顯示屏上展現出來，此模塊可實現手機控制MP3播放器的功能。

2.5 外部Flash存儲芯片

LCD顯示屏是通過字模來顯示中文字體的，需要添加中文字庫來實現漢字及中文標點符號的顯示。設計中用到的是GBK漢字庫，其中每個漢字都采用雙字節（2 Bytes）的存儲方式，而GBK漢字庫中共收錄了21 003個漢字，如果將漢字庫存儲到內部Flash（512 k字節）顯然是不可行的，需要8 MB的外部Flash來存儲字庫[8]。

2.6 MicroSD卡

SD卡是一種大容量的數據存儲介質，不僅存儲容量大，它的讀寫速率高、體積小，很適合用于本系統中存儲音頻及圖形化界面的圖標。

SD卡支持兩種總線操作模式：分別是SPI模式與SDIO模式。SPI模式需要4根數據線，一個SPI接口可以掛載多個器件，但不足之處是犧牲了速度。出于避免SD卡的讀寫速度成為系統運行速度的瓶頸，保證音樂播放的流暢度的考慮，所以設計中使用了讀寫速度較快的SDIO模式。

2.7 觸摸顯示屏

本設計中使用了一塊分辨率為320×240的3.2寸液晶顯示觸摸屏，作為播放器的顯示及控制部分。觸摸顯示屏可分為顯示屏與觸摸屏兩部分介紹：

（1）顯示屏其控制芯片是ILI9328，其BL_EN引腳是背光引腳，若該引腳上是高電平，則點亮顯示屏，反之顯示屏熄滅。將該引腳連接到STM32上具有PWM輸出功能的GPIO口，將產生一定頻率的脈沖輸出到該引腳，再通過控制脈沖的占空比，便可控制屏幕的亮度，這種控制屏幕亮度的方法被稱為PWM調光。

（2）觸摸部分是電阻式觸摸屏，觸摸控制芯片為XPT2046，其內部集成了逐步逼近型AD轉換器，當觸摸屏被按下，觸點的X、Y方向上會產生電壓變化，XPT2046對電壓進行兩次AD轉換之后，再進一步處理便可以得到觸點的X、Y坐標，根據得出的坐標值可實現觸摸控制[9]。

3 軟件設計

3.1 軟件設計思路

設計中包含了多個按鈕以及多個界面，在圖形化界面的設計時盡量考慮了人機交互的體驗感，盡量使界面美觀、簡潔，讓操作變得簡單，容易上手。

系統在運行時有兩個主要任務：一是檢測觸摸的坐標，根據坐標作出響應；二是讀取SD中的音頻文件數據，并發送到VS1053B進行硬件解碼并輸出音樂。其余功能只能在兩個主要任務運行的空余時間去處理，若其余功能運行過于耗時，則會影響系統的流暢性，會造成音樂卡頓，觸摸不及時，所以在編寫代碼時，盡可能避免使用延時。

3.2 FatFs文件系統的移植

首先下載FatFs的源碼，其源代碼目錄下有ffconf.h、ff.h、ff.c、diskio.h、diskio.c、interger.h，移植過程可分為以下兩步。

（1）FatFs文件系統的關鍵配置文件是ffconf.h，在使用FatFs提供的接口之前，可根據需求對該文件其中的宏定義進行修改。其部分宏定義的說明如表1所示。

表1 ffconf.h中的重要宏定義及其說明

（2）重新編寫diskio.c中的6個底層驅動函數：初始化磁盤disk_initialize、讀取扇區disk_read、寫入扇區disk_write、磁盤控制disk_ioctl、獲取磁盤狀態disk_status、獲取當前時間get_fattime[10]。

3.3 顯示及觸摸功能

本設計的顯示屏的控制芯片是ILI9328，在顯示屏的底層驅動中，主要用到3個指令來實現在LCD屏幕上繪制圖形的，指令及描述如表2示。表中的功能表述中的行列地址實際上對應的是屏幕的像素點的x與y坐標。其控制的流程如圖2所示。

表2 ILI9328控制指令及說明

圖2 顯示屏控制流程

觸摸屏的控制有兩個重要指令說明如表3所示。當觸摸屏被按下時，T_INT引腳輸出低電平，此時向觸摸屏發送指令碼，等待XPT2046芯片內部進行AD轉換后，可以從T_MISO引腳上讀取16位的坐標數據，一個完整的坐標需要發送兩次指令碼，分別獲得X與Y軸的坐標值。

表3 觸摸屏控制指令

3.4 音樂播放功能

音頻數據來源于使用FatFs文件系統中接口函數f_read讀出的數據，每次主控芯片從SD卡中讀取4 096字節的音頻數據緩存到主控上的內存中，每當DREQ為高電平就往VS1053中發送32字節的數據，直到讀取到音頻文件的末尾[11]。其主要工作流程如圖3所示。

圖3 播放音頻流程

3.5 屏幕調光功能

在本設計使用PWM調光對屏幕亮度進行控制。PWM有3個重要的參數分別是高度、寬度及周期，其關系如圖4所示。

圖4 PWM的3個參數

寬度占周期的百分比稱為占空比。通過控制占空比來控制屏幕的亮度，屏幕亮度大小與占空比正相關[12]。PWM的脈沖是由定時器產生的，這里列出脈沖周期及占空比與定時器參數的關系如下。

（1）周期=定時器重載值∕定時器時鐘頻率。

（2）占空比=比較值∕定時器重載值。

定時器重載值、定時器時鐘頻率這兩個參數在定時器初始化的時候就設置好固定值，只需要改變比較值，就可以改變占空比，從而實現屏幕調光功能。

3.6 藍牙控制功能

串口藍牙模塊是通過串口與主控通信的，為STM32編寫串口中斷程序，就可以從藍牙模塊獲取數據。設定一套字符串指令，通過手機App發送到藍牙模塊，STM32接收到之后進行字符串比對，然后作出指令相對應的動作，實現藍牙控制功能。

3.7 定時關閉功能

該功能的實現用到了硬件定時器以及定時中斷，設定一個計時值，每次中斷觸發計時值減1，當計時值為0時便使音樂停止播放。其工作流程如圖5所示。

圖5 定時關閉播放功能流程

3.8 溫度檢測功能

DS18B20單次溫度采集的流程如圖6所示。DS18B20完成一次溫度轉換至多需要750 ms，若在啟動溫度轉換的750 ms內再次啟動轉換，很有可能讀取不到正確的結果。在本設計中，利用定時器每隔3 s進行一次溫度采集，既避免了采集間隔過低，也能保證溫度檢測的實時性。

圖6 DS18B20溫度轉換流程

4 結果

系統上電后進入主界面，如圖7所示，分為3個部分。

圖7 主功能界面

（1）信息顯示欄。位于主界面的頂部，從左到右分別顯示了當前的時間、日期以及環境的溫度值。點擊時間或者日期的字體會切換至設置界面。亮度調節如圖8所示。

圖8 屏幕亮度調節功能測試

（2）音樂列表。界面中間部分把SD卡中歌曲的名字以列表的形式顯示出來，一頁顯示8首歌曲，支持翻頁瀏覽功能。可直接點擊歌曲名切換歌曲。

（3）播放控制欄。位于主界面的底部，該部分顯示了當前歌曲的播放音量、播放進度，點擊音量條或者進度條可調整歌曲的音量以及播放進度，還包含了5個控制按鈕。

時間設置界面如圖9所示，主要功能是設置時分秒，通過點擊主界面頂部顯示的時間進入，通過界面上的“+”和“-”便可以調整時間，按下“確認”按鈕使設置生效。

圖9 時間設置功能測試

功能與時間設置界面相似，可設置年、月、日，如圖10所示。定時播放關閉功能界面如圖11所示。

圖10 日期設置界面測試

圖11 播放定時關閉功能測試

藍牙連接建立成功之后，出現如圖12所示右上角的藍牙圖標便可以通過手機App控制。

圖12 藍牙連接測試

5 結束語

本設計采用SMT32F103ZET6作為主控芯，在此硬件平臺KDE基礎上，結合了音頻編解碼模塊、溫度傳感器、藍牙模塊以及SD卡，以顯示觸摸屏作為人機交互基礎，進行了圖形化界面及應用功能的開發；移植了FatFs文件系統用以讀寫SD卡，成功設計出了MP3播放器。此播放器具有溫度檢測、屏幕調光、藍牙控制、電子時鐘、定時播放等功能。經實驗測試，該播放器不僅觸摸響應迅速，能流暢地播放音樂，并能長時間穩定運行，具有一定的應用價值。