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基于STM32的MP3播放器设计与实现(提供MDK完整源码)
tvro_china | 2008-09-10 09:39:20    阅读:31133   发布文章

本文将介绍一个利用STM32处理器实现简易MP3 Player的设计实例,这个综合应用实例有助于读者了解STM32、SPI接口、SD卡、TIMER、中断、FAT文件系统、USB等的应用。

这里提供了两种设计方案,第一种方案是简易声波播放器,仅使用STM103V100评估板,令计时器TIM4工作在PWM模式下,将wav格式的声波文件从SD卡中读出,由TIM4产生不同频率的方波通过低通滤波器和放大器送喇叭,如图1所示;第二种方案则是简易MP3播放器,还需要使用额外的解码芯片,将MP3格式的文件从SD卡读出,然后送解码芯片解码播放,如图2所示。本节将先介绍SD卡、FAT16文件格式、VS1003编解码器等关键部分,然后再分别给出两种设计方案的软件设计。

1 简易声波播放器方案

2 简易MP3 Player方案

1 SD卡的结构及读写方法

STM103V100评估板有SD连接器,其使用SPI总线与STM32处理器连接,如图3所示。

 

3 SD连接器与STM32处理器SPI连接图

SD卡(Secure Digital Memory Card)是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件,SD卡允许在两种模式下工作,即SD模式和SPI模式,本系统采用SPI模式。本小节仅简要介绍在SPI模式下,STM32处理器如何读写SD卡,如果读者如希望详细了解SD卡,可以参考相关资料。SD卡内部结构及引脚如图4所示。

 

4 SD卡内部结构及引脚

SD卡主要引脚和功能为:

n         CLK:时钟信号,每个时钟周期传输一个命令或数据位,频率可在025MHz之间变化,SD卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生025MHz的频率;

n         CMD:双向命令和回复线,命令是一次主机到从卡操作的开始,命令可以是从主机到单卡寻址,也可以是到所有卡;回复是对之前命令的回答,回复可以来自单卡或所有卡;

n         DAT03:数据线,数据可以从卡传向主机也可以从主机传向卡。

     SD卡以命令形式来控制SD卡的读写等操作。可根据命令对多块或单块进行读写操作。在SPI模式下其命令由6个字节构成,其中高位在前。SD卡命令的格式如表1所示,其中相关参数可以查阅SD卡规范。
--------------
1 SPI命令格式
7,6,5,0/31,0/7,0
0,1/Command/
Command Argument/CRC,1

Byte 1/ Byte2-5/Byte 6

------------------------------------

下面分别给出读写SD卡的两个函数:

n         读取SD卡函数u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead);

/*****************************************************************

* Function Name : MSD_ReadBlock

* Description    : Reads a block of data from the MSD.

* Input          : - pBuffer : pointer to the buffer that receives the data read

*                    from the MSD.

*                  - ReadAddr : MSD's internal address to read from.

*                  - NumByteToRead : number of bytes to read from the MSD.

* Output         : None

* Return         : The MSD Response:

- MSD_RESPONSE_FAILURE: Sequence failed

*                   - MSD_RESPONSE_NO_ERROR: Sequence succeed

*****************************************************************/

u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)

{

  u32 i = 0;

  u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;

 

  /* MSD chip select low */

  MSD_CS_LOW();

  /* Send CMD17 (MSD_READ_SINGLE_BLOCK) to read one block */

  MSD_SendCmd(MSD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF);

 

  /* Check if the MSD acknowledged the read block command:

 R1 response (0x00: no errors) */

  if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR))

  {

    /* Now look for the data token to signify the start of the data */

    if (!MSD_GetResponse(MSD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ))

    {

      /* Read the MSD block data : read NumByteToRead data */

      for (i = 0; i < NumByteToRead; i++)

      {

        /* Save the received data */

        *pBuffer = MSD_ReadByte();

        /* Point to the next location where the byte read will be saved */

        pBuffer++;

      }

      /* Get CRC bytes (not really needed by us, but required by MSD) */

      MSD_ReadByte();

      MSD_ReadByte();

      /* Set response value to success */

      rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;

    }

  }

 

  /* MSD chip select high */

  MSD_CS_HIGH();

  /* Send dummy byte: 8 Clock pulses of delay */

  MSD_WriteByte(DUMMY);

  /* Returns the reponse */

  return rvalue;

}

n         写读取SD卡函数u8 MSD_WriteBlock(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

/*****************************************************************

* Function Name : MSD_WriteBlock

* Description    : Writes a block on the MSD

* Input          : - pBuffer : pointer to the buffer containing the data to be

*                    written on the MSD.

*                  - WriteAddr : address to write on.

*                  - NumByteToWrite: number of data to write

* Output         : None

* Return         : The MSD Response:

- MSD_RESPONSE_FAILURE: Sequence failed

*                   - MSD_RESPONSE_NO_ERROR: Sequence succeed

*****************************************************************/

u8 MSD_WriteBlock(u8* pBuffer, u32 WriteAddr, u16 NumByteToWrite)

{

  u32 i = 0;

  u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;

 

  /* MSD chip select low */

  MSD_CS_LOW();

  /* Send CMD24 (MSD_WRITE_BLOCK) to write multiple block */

  MSD_SendCmd(MSD_WRITE_BLOCK, WriteAddr, 0xFF);

 

  /* Check if the MSD acknowledged the write block command:

R1 response (0x00: no errors) */

  if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR))

  {

    /* Send a dummy byte */

    MSD_WriteByte(DUMMY);

    /* Send the data token to signify the start of the data */

    MSD_WriteByte(0xFE);

    /* Write the block data to MSD : write count data by block */

    for (i = 0; i < NumByteToWrite; i++)

    {

      /* Send the pointed byte */

      MSD_WriteByte(*pBuffer);

      /* Point to the next location where the byte read will be saved */

      pBuffer++;

    }

    /* Put CRC bytes (not really needed by us, but required by MSD) */

    MSD_ReadByte();

    MSD_ReadByte();

    /* Read data response */

    if (MSD_GetDataResponse() == MSD_DATA_OK)

    {

      rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;

    }

  }

 

  /* MSD chip select high */

  MSD_CS_HIGH();

  /* Send dummy byte: 8 Clock pulses of delay */

  MSD_WriteByte(DUMMY);

  /* Returns the reponse */

  return rvalue;

} 

2 FAT16文件系统简介

     SD卡如果采用FAT16文件格式,按照其不同的特点和作用大致可分为5 部分:MBR区、DBR区、FAT区、FDT区和DATA区。由于SD卡一般不做引导盘,一般也不分区,因此通常无MBR区,直接从DBR区开始。下面对后面四个区分别作简介:

n         DBR

    内容为系统引导记录,它包括一个引导程序和一个被称为BPBBios Parameter Block)的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时,判断本分区根目录是否有操作系统引导文件,如果有则将其读入内存,并把控制权交给该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、根目录大小、FAT个数,分配单元大小等重要参数。本系统采用的DBR结构为:

typedef __packed struct

{/* 由于Cortex-M3内核默认以对齐方式访问,因此可能导致结构体元素之间有“空隙”,读出的结构体元素有误,因此需要加上关键字__packed,强制其以压缩方式存储结构体。这样该结构体在内存空间上是一片连续的空间,不存在“空隙”情况。其它地方同理 */

     u8         BS_jmpBoot[3];     //ofs:0.典型的如:0xEB,0x3E,0x90

     u8         BS_OEMName[8];  //ofs:3.典型的如:“MSWIN4.1”

     u16        BPB_BytesPerSec;  //ofs:11.每扇区字节数

     u8         BPB_SecPerClus;          //ofs:13.每簇扇区数

     u16        BPB_RsvdSecCnt;         //ofs:14.保留扇区数,从DBR 到FAT 的扇区数

     u8         BPB_NumFATs;     //ofs:16.FAT 的个数,通常为2

     u16        BPB_RootEntCnt;         //ofs:17.根目录项数

     u16        BPB_TotSec16;            //ofs:19.分区总扇区数(<32M 时用)

     u8         BPB_Media;        //ofs:21.分区介质标识,SD卡一般用0xF8

     u16        BPB_FATSz16;             //ofs:22.每个FAT 占的扇区数

     u16        BPB_SecPerTrk;           //ofs:24.每道扇区数,对于SD卡无意义

     u16        BPB_NumHeads;    //ofs:26.磁头数,对于SD卡无意义

     u32        BPB_HiddSec;       //ofs:28.隐藏扇区数,从MBR到DBR的扇区数

     u32        BPB_TotSec32;      //ofs:32.分区总扇区数(≥32M时用)

     u8         BS_DrvNum;         //ofs:36.软盘:0x00,硬盘:0x80,SD卡无意义

     u8         BS_Reservedl;       //ofs:37.保留

     u8         BS_BootSig;         //ofs:38.扩展引导标记:0x29,通常对于SD卡无意义

     u32        BS_VolID;          //ofs:39.盘序列号

     u8         BS_VolLab[11];    //ofs:43.如“Msdos ”

     u8         BS_FilSysType[8];  //ofs:54.“FAT16 ”

     u8         ExecutableCode[448];         //ofs:62.引导代码

     u8         ExecutableMarker[2];    //ofs:510.结束标识:0xAA55

} FAT_BPB;

n         FAT

    该区内容为文件分配表,FAT16文件系统进行空间分配的最基本单位是簇。文件分配表反映了SD卡所有簇的使用情况,通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。对于FAT16来说,FAT表每项占用两个字节。FAT表的第一项通常为FFF8H。对于其它项,若其值为0000H表示可用;FFF7H表示为坏簇;FFF8H-FFFFH之间表示该簇为某文件或目录的最后一个簇,FFF0H-FFF6H之间为保留值;其它值则指示下一个簇的簇号。

n         FDT

   该区的内容为文件目录表,FAT文件系统的一个重要思想是把目录(文件夹)当作一个特殊的文件来处理,FAT32甚至将根目录当作文件处理。FAT分区中所有目录文件,实际上可以看作是一个存放其它文件(文件夹)入口参数的数据表。因此,目录占用空间的大小并不等同于其下所有数据的大小,但也不等于0,通常是占很小的空间。其具体的存储原理是:不管目录文件所占空间为多少簇,一簇为多少扇区、多少字节;系统都会以32个字节为单位,进行目录文件所占簇的分配。本系统目录项使用的结构体如下:

typedef __packed struct

{

u8            FileName[8];            //ofs:0.文件名

u8            ExtName[3];            //ofs:8.扩展名

u8              Attribute;                 //ofs:11.文件属性。典型值:存档(0x20)、卷标(0x08)

u8             Reserved[10];          //ofs:21.保留

u16            Time;                     //ofs:22.时间

u16            Data;                    //ofs:24.日期

u16            StartClus;                      //ofs:26.开始簇号

u32            FileLength;               //ofs:28.文件长度

} DIR;

   由于篇幅关系,这里不能对上面各字段进行一一介绍。

本系统支持长文件名和汉字显示,如果使用短文件名,则以ASCII编码;当文件名超过8个字节,扩展名超过3字节时,就以长文件名的形式存储,长文件名中的字符采用UNICODE形式编码,每个字符占据2个字节的空间,其目录项中偏移为11的字节即Attribute字段为0FH。在存储时将长文件名以13个字符为单位进行切割,每一组占据一个目录项,所以可能一个文件需要多个目录项,这时长文件名的各个目录项按倒序排列在目录表中,以防与其他文件名混淆。

本系统采用串口作为输入输出接口,通过在PC的超级终端中输入命令来对其进行控制,并在超级终端中显示输出的结果,如路径、目录列表、文件名等相关信息。超级终端输入输出的汉字以GB2312编码、输入输出英文字符以ASCII编码,而长文件名以UNICODE编码。因此需要将UNICODE编码转化为GB2312ASCII编码来和用户交互。这里使用一张排序二维表,里面有7000多个汉字UNICODE编码对应的GB2312编码。这里查找算法采用二分查找算法,大大提高了查找效率,这对于嵌入式应用很关键。

n         DATA

    该数据区存放文件的内容,SD卡所占用的空间绝大部分为此部分。如果文件长度大于一个簇的大小,需要多个簇存放该文件,这些放通过FAT链表串连起来。

3 VS1003-MP3/WMA音频编解码器简介

     VS1003是由芬兰VLSI Solution Oy公司所设计的一款单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器,它包含一个高性能、自主产权的低功耗DSP处理器核VS_DSP4。该芯片内部结构如图5所示,其特点如下:

 

5 VS1003内部结构及引脚

 

n         可解码MPEG 1MPEG 2音频层IIICBR+VBR+ABR)、WMA 4.0/4.1/7/8/9 5-384kbps 所有流文件;WAV(PCM+IMA AD-PCM),可产生MIDI/SP-MIDI 文件;

n         可对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMA ADPCM编码;

n         支持MP3WAV流;

n         高音、低音控制;

n         单时钟操作(12..13MHz);

n         内部PLL锁相环时钟倍频器;

n         低功耗

n         内含高性能片上立体声数模转换器,两声道间无相位差;

n         内含能驱动30欧负载的耳机驱动器;

n         模拟、数字、I/O单独供电;

n         为用户代码和数据准备了5.5KB片上RAM

n         串行的控制、数据接口;

n         可被用作微处理器的从机;

n         特殊应用的SPI Flash引导;

n         供调试用途的UART接口;

n         新功能可以通过软件和4GPIO添加。

    限于篇幅,这里不对VS1003芯片作详细介绍,读者有兴趣可查阅相关资料及数据手册。

注意,VS1003可以作为一个微控制器的从机,通过串行SPI接口来接收输入的比特流,输入的比特流被解码后,可以通过一个数字音量控制器到达一个18 位过采样多位DAC。这样利用一个VS1003芯片与STM32F103x处理器配合,STM32处理器读取SD卡中的MP3文件,将其通过SPI接口送往VS1003芯片播放,然后再利用STM32F10X处理器的一些GPIO口来控制VS1003即可以实现一个MP3 Player的原形设计。

4 简易声波播放器的设计与实现 4.1 软件程序设计

    由“基于STM32的MP3播放器设计与实现(一)”所述内容及图1可以得到简易声音播放器的软件工作过程:通过SPI1SD卡中读取声波文件,将所读取的部分存放在一个缓冲器中,利用TIMER2通道1定期产生的中断,从缓冲器中读取声音数据,然后根据声音数据通过TIMER4的通道3产生不同频率方波输出。这里使用了两个缓冲器,一个用于存放从SD卡读到的声音数据,另一个用于将声音数据输出到PWM,两个缓冲区的功能不断交替,形成一个由2个缓冲区构成的环形缓冲。播放声波文件由PC机通过超级终端以命令的方式选择,声音的播放状态也显示在PC机超级终端上。

该系统软件程序主要包含以下源文件,下面分别介绍其中主要的一些函数。限于篇幅这里不能给出工程的全部源代码,读者可在附件里下载所有源代码。

n         main.c

    该源文件包含以下几个主要函数:

l         SetupClock:用于初始化并设置系统时钟,并允许GPIOAGPIOBTIM2TIM4SPI的时钟;

l         Speaker_Timer_Config:用于配置定时器TIM2TIM4TIM4的通道3处于PWM1模式;TIM2的通道1工作于输出比较模式,定期发出中断,在每次中断修改TIM4通道3相关寄存器,使之产生不同频率的方波;

l         USART_Scanf_NameUSART_Scanf_Cmd:用于从超级终端获取输入字符串;

l         PrintPass:用于在超级终端上输出提示符“X:>”;

l         main: 主函数,首先初始化系统时钟、串口、连接SD卡的SPI1,与SD进行通讯初始化,检测并在超级终端上打印SD卡的信息;然后根据用户在超级中输入的命令进行操作,这里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“play”五个简单的命令,分别是目录项列表、目录更换、以文本方式读取文件、查询SD空余空间和播放声音文件;如果输入“Play ***.wav”,则处理器开始从SD卡中读取相应的声波文件,并将其放入相应的缓冲区;

 

n         msd.c

    该文件用于提供SD卡的驱动,由ST公司所带例程提供,本系统用到以下一些函数。

l         SPI_Config:配置与SD卡相连接的SPI1

l         MSD_Init:初始化SD卡通讯;

l         MSD_WriteByte:向SD卡写一个字节;

l         MSD_WriteByte:从SD卡读一个字节;

l         MSD_GoIdleState:令SD卡处于空闲态;

l         Get_Medium_Characteristics:获取SD卡的容量;

l         MSD_SendCmd:向SD卡发命令;

l         MSD_GetResponse:从SD卡获取响应;

l         MSD_ReadBlock:从SD卡读取一块数据;

 

n         fat16.c

    该文件提供FAT16文件系统的支持,主要包含以下一些函数:

l         ReadMBR:读取MBR数据结构;

l         ReadBPB:读取BPB数据结构;

l         ReadFAT:读取文件分配表指定项;

l         ReadBlock:读取一个扇区;

l         FAT_Init:获取FAT16文件系统基本信息;

l         DirStartSec:获取根目录的开始扇区号;

l         DataStartSec:获取数据区的开始扇区号;

l         ClusConvLBA:获取一个簇的开始扇区号;

l         LBAConvClus:转换扇区号与簇号之间的关系;

l         LBAConvClus:计算可用空间,返回字节数;

l         GetFileName:获取指定文件的首扇区号;

l         List_DateAndTime:获取文件或目录项的日期时间;

l         SearchFoler:在指定范围内查找子目录;

l         List_AllDir_Long:列出指定范围内的目录及目录信息;

l         FAT_FileOpen:打开指定文件;

l         FAT_FileRead:读取文件数据;

 

n         uart.c

该文件提供USART串口驱动函数;

n         hw_config.c

该文件包含系统初始化设置函数和中断配置函数。

l         Set_System:用于提供系统时钟及电源设置;

l         NVIC_Config:用于设置中断向量,允许TIM2中断;

 

n         stm32f10x_it.c

    该文件仅包含一个函数TIM2_IRQHandler,即在每次TIM2中断时从缓冲器中读取音频数据送TIM4定时器,以用于产生不同频率的声音。

n         UnicodeToGB2312.c

    该文件仅包含一个函数UnicodeToGB2312,处理从UniCode编码到GB2312字符的转换,用于处理长文件名。

4.2 运行过程

(1)    使用MDK通过ULINK 2仿真器连接开发板,或使用两根USB电缆分别将CN1CN5 PCUSB端口相连(使用板上自带的UlinkMe);

(2)    使用串口线将开发板的串口COM0PC机连接,在PC机上运行windows自带的超级终端串口通信程序(波特率1152001位停止位、无校验位、无硬件流控制);或者使用其它串口通信程序;

(3)    打开所下源代码目录Player\Simple Wave Player下的Simple Wave Player.Uv2工程,将其编译链接后烧写到开发板中;

(4)    将带有测试声波文件TEST1.wav拷贝到SD卡中,并将SD插入评估板的SD连接器中;

(5)    重启动开发板,在超级终端上将看到SD卡的信息以及提示符“X:>”,键入dir命令然后回车将列出SD卡上的所有文件和目录,如图6所示;

 

6 查看SD卡内容

(6)    可在超级终端中输入“dir”、“cd”、“free”、“read”等命令(注:read 命令后跟文件名;读出并输出文件的文本内容,可以正确显示文本文件如以txt,c,h,s为后缀的文件),观察运行结果;注意,由于程序中没有进行大小写转换,因此命令只能使用小写;

(7)    在超级终端中输入“play TEST1.wav,如果程序运行正常,通过开发板的扬声器或者耳机将能听到音乐声,超级终端显示如图7所示。

 

 

7播放声波文件

5 简易MP3 Player的设计与实现

4小节所介绍的声音播放器,是通过定时器TIM4产生不同频率方波来产生声音的,因此只适合播放wav声波文件,其音质也非常粗糙。如果希望播放MP3文件,并产生高品质的声音,则需要使用专用声音解码芯片,这将得到一个简易MP3 Player原型设计。

5.1 硬件设计

    如图8所示,STM32F103x使用SPI2端口与VS1003芯片的SISOSCLK连接;VS1003芯片的控制引脚xCSxRESETxDCS分别与STM32F103PA1PA0PA2连接,低电平有效;VS1003的状态引脚DREQSTM32F103处理器的PA3连接,低电平表示需要送数据,高电平表示正在处理数据。

    读者如果没有条件制作硬件,可以使用一块VS1003的评估板和STM103V100评估板配置,只需要使用电缆实现上述连接及供电即可,实验成本也非常低。

 

8 简易MP3 Player硬件原理图

5.2 软件程序设计

    由上面所述内容及图2、图8可以得到简易MP3 Player的软件工作过程:通过SPI1SD卡中读取MP3文件,将所读取的内容通过SPI2发送到VS1003解码器中播放;PC机可通过USB总线读写SD卡的内容,传送MP3文件;PC机的超级终端用于发送MP3播放命令、显示MP3 播放状态。

    由于SPI1读取SD卡的速度远超过VS1003播放声音的速度,因此在VS1003播放SPI2送给其的声音数据期间,SPI1能从SD卡中读取下次播放所须的数据,不会产生声音不连续的情况。

    读者也可以尝试采用更有效的中断方式,在内存中设置一个环形的缓冲区,SPI1SD卡读取的MP3文件数据存放在其中,当VS1003需要数据时其DREQ引脚将产生低电平,利用其产生中断,在中断服务程序中从缓冲区读取数据送VS1003,直至DREQ引脚恢复为高电平时退出中断。

    该系统软件程序主要包含以下源文件,下面分别介绍其中主要的一些函数。限于篇幅这里不能给出工程的源代码,读者可在附件里下载所有源代码。

n         main.c

    该源文件包含以下几个主要函数:

l         USART_Scanf_NameUSART_Scanf_Cmd:用于从超级终端获取输入字符串;

l         PrintPass:用于在超级终端上输出提示符“X:>”;

l         main: 主函数,首先初始化系统时钟、串口、USB接口、SPI1SPI2,通过命令启动VS1003芯片,检测并在超级终端上打印SD卡的信息;然后根据用户在超级中输入的命令进行操作,这里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“usb”、“vstest”、“play”七个简单的命令,分别是目录项列表、目录更换、以文本方式读取文件、查询SD空余空间、启动读卡器功能、VS1003正弦测试、和播放MP3声音文件;如果输入“Play ***.mp3”,则处理器开始从SD卡中读取相应的MP3文件,并将其送VS1003芯片播放;

 

n         VS1003.c

    该文件主要提供VS1003芯片的驱动,包含以下几个主要函数:

l         VS1003_Config:配置STM32处理器与VS1003芯片连接的相关引脚,包括SPI2PA1PA0PA2PA3

l         SPIGetChar:通过SPIVS1003读取一个数据;

l         SPIPutChar

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秦时明月94  2015-01-07 17:20:38 

图片怎么看不来哦