基于Cortex一M3的MP3播放器设计

引 言
    STM32系列微控制器采用ARM公司最新的Cortex—M3内核。VSl003音频解码芯片为VSlOxx系列的第三代产品，是芬兰VLSI Solution公司生产的单片MP3／WMA／MIDI解码和ADPCM编码芯片。本文采用STM32系列微控制器，结合解码芯片VSl003、SD卡、LCD等外围设备设计并实现了MP3播放器。其主要功能有：播放VSl003支持的所有音频文件，如MP3、WMA、WAV文件，且音质非常好；通过摇杆控制播放上一首／下一首、音量增减等；通过LCD显示歌曲名字和播放状态；本系统还实现了读卡器功能，PC机可通过USB接口直接对开发板上的SD卡进行读写操作，以方便拷贝音频文件。

1 STM32处理器
    Cortex—M3是ARM公司最新推出的基于ARMv7体系架构的处理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计。
    ARMv7架构采用了Thumb一2技术，它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性。Thumb一2技术比纯ARM代码少使用31％的内存，减小了系统开销，同时能够提供比Thumb技术高出38％的性能。
    在中断处理方面，Cortex—M3集成了嵌套向量中断控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是Cortex—M3处理器的一个紧耦合部分，可以配置1～240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断，为处理器提供出色的异常处理能力。同时，抢占(Pre—eruption)、尾链(Tail-chaining)、迟到技术(Late—arri-ving)的使用，大大缩短了异常事件的响应时间。Cortex—M3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性。
    Cortex—M3体系架构提出了新的单线调试技术，Cortex—M3处理器的跟踪调试是通过调试访问端口(Debug Access Port，DAP)来实现的。DAP端口可以作为串行线调试端口(SW—DP)或串行JTAG调试端口(SWJ—DP，允许JTAG或SW协议)使用。其中SW—DP只需要时钟和数据2个引脚，实现低成本跟踪调试，避免使用多引脚进行JTAG调试，并全面支持RealView编译器和RealView调试产品。此外Cortex—M3还具备高度集成化的特点，大大减小了芯片面积，内部集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间，使系统满足下一代产品的控制需求。
    STM32系列是基于Cortex—M3核的微控制器，它在Cortex—M3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。

2 VSl003 MP3／WMA音频编解码器
    VSl003内部包含1个高性能、低功耗的DSP处理核(VSDSP)，1个工作内存，1片可供用户程序使用的5．5KB RAM，1个串行SPI总线接口，1个高质量的采样频率可调的过采样DAC以及1个16位的采样ADC。VSl003的内部结构如图1所示。

    MP3播放过程是STM32通过SPIl接口将数据从SD卡中取出，然后通过SPl2接口送至解码芯片VSl003解码播放。这里解码模块单独使用一个SPI接口，以减小干扰和噪声、提高音质。

3 系统硬件设计
    本系统在硬件上分为6个模块：微控制器STM32F103、解码模块VSl003、存储模块SD卡、控制摇杆Joystick、USB接口和显示屏LCD。系统硬件框架如图2所示。

    下面分别介绍系统的存储模块SD卡、解码芯片VSl003与STM32的硬件连接情况。
3．1 SD卡与STM32的连接
    该系统使用STM32内部接口SPIl与SD卡进行通信，下面介绍其引脚连接情况。
    PE3：低电平有效，连接到SD卡的片选引脚CD／DAT3。SPI在和SD卡进行通信时，需要将PE3拉低才能对SD卡进行操作。
    PA7：映射为STM32内部接口SPIl的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，SD卡是从设备。数据流的传输方向是从STM32传输给SD卡。该信号线用于传输一些控制命令来完成SD卡的操作，如读、写等。
    PA5：已连接到STM32内部接口SPIl的时钟(SCLK)信号线。可设置SPI的时钟频率来调整读取SD卡数据的快慢。
    PA6：已连接到STM32内部接口SPIl的主输入从输出(MISO)信号线。数据的传输方向是从SD卡传输给STM32，主要返回SD卡的一些状态、内部寄存器值等。
    PCI2：用于检测SD卡是否完全插入。当SD卡完全插入时，PCl2为低电平，否则为高电平。
3．2 VSl003与STM32的连接
    该系统使用STM32内部接口SPl2与VSl003进行通信，下面介绍其引脚连接情况。
    PA3：VSl003的中断请求引脚。当VSl003内部数据已处理完毕，需要新的数据时，将DREQ拉高。STM32根据这个信号来给VSl003发送新的数据流。
    PBl3：已连接到STM32内部接口SPI2的时钟(SCLK)信号线。
    PBl4：已连接到STM32内部接口SPI2的主输入从输出(MISO)信号线。这里STM32是主设备，VSl003是从设备。数据流的传输方向是从VSl003传输给STM32。主要用于读取VSl003的一些状态和内部寄存器值，比如寄存器测试返回的内部寄存器的值。
    PBl5：已连接到STM32内部接口SPl2的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，VSl003是从设备。数据流方向是从STM32传输给VSl003，主要传输给VSl003一些控制命令、MP3／WMA数据流等。[!--empirenews.page--]
    PAl：低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是控制信号。控制信号包括读写VSl003的内部寄存器、对VSl003进行初始化、设置左右声道音量等。PA2：低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是数据信号。比如在向VSl003传输MP3／WMA的数据流时需要拉低该引脚。
    PA0：低电平有效，拉低该引脚则硬件复位VSl003。

4 系统软件设计
    本系统的软件由集成开发工具RealView MDK专业版开发，它具有强大的编译、链接和调试功能。软件结构如图3所示。本系统的工作过程大致为：STM32通过SPIl从SD卡中读取MP3／WMA文件，将所读取的数据流通过SPl2发送到VSl003解码器中播放；PC机可通过USB总线读写SD卡的内容，传送MP3／WMA等文件；LCD显示屏用于显示MP3的文件名、播放状态。五维摇杆左右摇动控制播放上一首／下一首，上下摇动控制音量，按下则控制播放／暂停。

    由于SPIl读取SD卡文件的速度远超过VSl003播放数据流的速度，因此VSl003在播放来自SPI2的数据流期间，SPIl能从SD卡中读取下次播放所需的数据，不会产生声音不连续的情况。由于使用了2个SPI接口，相互之间无干扰，且提高了文件系统的效率，因此本系统能得到非常高品质的音乐。
    限于篇幅，下面仅介绍软件的两个核心模块。
4．1 SD模块
    SD模块主要提供SD卡驱动以及对FAT文件系统操作的函数，FAT文件系统支持长文件名。该模块主要含有2个文件msd．c和fatl6．c。下面分别介绍其主要函数的功能。
4．1．1 msd．c
    该文件用于提供SD卡的驱动，主要包括以下函数。
    SPI_Config：配置与SD卡相连接的SPIl及相关GPIO。
    MSD_Init：初始化SD卡通信。
    Get_Medium_Characteristics：获取SD卡的容量和块大小等相关信息。
    MSD_GoIdleState：令SD卡处于空闲态。
    MSD_SendCmd：向SD卡发送命令。
    MSD_GetResponse：从SD卡获取响应。
    MSD_GetStatus：获取SD卡的状态。
    MSD_WriteBlock：向SD卡写入1个块的数据。
    MSD_ReadBlock：从SD卡读取1个块的数据。
    以下是函数MSD_ReadBlock的实现：

4．1．2 fatl6．c
    该文件提供对FATl6文件系统的支持，主要包含以下函数。
    ReadMBR：读取MBR数据结构。
    ReadBPB：读取BPB数据结构。
    ReadFAT：读取文件分配表指定项。
    ReadBloek：读取SD卡的一个扇区。
    FAT_Init：获取FATl6文件系统的基本信息。
    DirStartSec：获取根目录的开始扇区号。
    DataStartSec：获取数据区的开始扇区号。
    ClusConvLBA：获取一个簇的开始扇区号。
    LBAConvClus：转换扇区号与簇号之间的关系。
    GetFileName：获取指定文件的首扇区号。
    ListDateTime：列出文件或子目录创建的时间日期。
    SearchFoler：在指定范围内查找文件或子目录。
    ListDir：列出指定范围内的文件或子目录及相关信息。
    FAT_FileOpen：打开指定文件。
    FAT_FileRead：读取文件数据。
4．2 VSl003模块
    VSl003模块主要提供对解码芯片VSl003的驱动，为应用层播放音频数据、控制音量声道等提供基本接口。该模块主要含文件vsl003．c。其主要函数的功能如下。
    vsl003．c文件主要提供VSL003芯片的驱动，包含以下几个主要函数。
    VSL003_Config：配置STM32与VSl003连接的相关引脚，包括SPl2、PA0、PAl、PA2、PA3。
    SPIGetChar：通过SPI从VSl003读取1个字节。
    SPIPutChar：通过SPI向VSl003写入1个字节。如果是MP3／WMA数据流，则VSl003将开始解码并播放。
    Mp3ReadRegister：读取VSl003寄存器的值。
    Mp3WriteRegister：写VSl003寄存器。
    Mp3Reset：VSl003复位，包括软件复位和硬件复位。
    Mp3SoftReset：VSl003软件复位，设置时钟、采样率、重音、音量、立体声等参数，一般在2首乐曲之间需要一次软件复位。
    VsSineTest：播放正弦声波，用于测试VSl003和STM32的连接是否完好。

结 语
    本文提出了一种基于STM32的MP3播放器设计方案，并使用ARM开发工具RealView MDK实现了该方案的原型。尽管该方案无法作为一个通用MP3的方案，但是对于某些音频需要的工业控制、汽车电子、医疗电子等方案具有一定的参考性。另外，本系统综合使用了STM32处理器的多个外围接口，也可供读者学习参考。