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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。
图1 简易声波播放器方案
图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。
图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。
图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0～25MHz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0～25MHz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 DAT0～3：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。
--------------
表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区
内容为系统引导记录，它包括一个引导程序和一个被称为BPB（Bios 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区
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区
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GB2312或ASCII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区
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：
图5 VS1003内部结构及引脚
n 可解码MPEG 1和MPEG 2音频层III（CBR+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MP3和WAV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4个GPIO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。
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SPI1从SD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GPIOA、GPIOB、TIM2、TIM4和SPI的时钟；
l Speaker_Timer_Config:用于配置定时器TIM2和TIM4，TIM4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_Name和USART_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CN1和CN5 与PC机USB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COM0与PC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115200、1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；
图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。
图7播放声波文件
5 简易MP3 Player的设计与实现第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SI、SO、SCLK连接；VS1003芯片的控制引脚xCS、xRESET、xDCS分别与STM32F103的PA1、PA0和PA2连接，低电平有效；VS1003的状态引脚DREQ与STM32F103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。
图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SPI1从SD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，SPI1从SD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_Name和USART_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、SPI1、SPI2，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SPI2、PA1、PA0、PA2、PA3；
l SPIGetChar：通过SPI从VS1003读取一个数据；
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