基于STM32的嵌入式MP3播放器的研究

山东科技大学 张学慧 朱爱珍

1.引言

MP3是一种高质量音乐压缩标准，采用MP3压缩的数据量可以缩小到1/12，音质却没有多少损失。由于MP3音乐的较小数据量和高质量的播放效果，使它很快成为一种集音频播放、数据存储为一身的数码产品，并深受人们的喜爱。本文设计的MP3是基于ARM公司最新Cortex-M3内核的STM32控制器，利用该处理器内置的SPI接口对SD存储卡进行控制，并对MP3音频文件进行解码实现MP3的播放。系统实现的功能：播放VS1003支持的MP3、WMA等音频文件，且具有歌词同步功能；控制播放上一首/下一首，音量增减；通过LCD显示音量图标和播放状态等。

2.系统方案设计[1]

系统采用STM32为主控制器有不可或缺的优势，STM32系列是意法半导体基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。时钟频率72MHz，功耗36mA，是32位市场上性价比最高的产品。系统主要由控制模块、电源模块、音频解码模块、SD卡模块、人机交互模块组成。其结构框图如图1所示。

系统的工作流程：STM32处理器读取SD存储卡里的MP3音乐文件数据，通过SPI传输至音频解码芯片经过解码转换，再送至耳机听筒。SPI总线控制音频DAC芯片的参数实现音量控制等功能。使用人机交互设备实现播放/暂停、上一曲/下一曲等控制功能和显示播放状态。

3.系统的硬件设计

图1 系统结构框图

系统的硬件设计包含控制器及各模块芯片的选型和相关电路的设计。

3.1 STM32控制器电路设计

STM32系列32位微控制器基于Cortex-M3内核，旨在为MCU用户提供新的开发自由度。它具有高性能、低功耗、低电压等特性，同时还具有高集成度和易于开发的特点，使该系列产品成为小型项目和作为完整平台的理想选择[2]。STM32的使用需要一个最小系统，包括晶振电路，复位电路。

1）晶振电路的设计：晶振电路用于向处理器提供工作时钟。本系统使用无源晶振X1作为系统的主振荡器，一个32.768kHz的晶振作为内置实时时钟（RTC）振荡器[3]。晶体振荡器的连接如图2所示。

晶振的负载电容应当按照要求选取，电容不正确可能导致晶振起振缓慢甚至不起振，这将影响整个系统的稳定性。

2）复位电路的设计：采用简单的“RC＋按键”复位形式，该复位电路可以实现上电自动复位和手动按键复位[3]。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，按键复位是通过复位端经电阻与电源VCC接通而实现的。

3.2 电源电路的设计

系统中硬件电路的输入电源需要5V、3.3V和2.5V。对于5V电源输入，本着设计简单、有效的原则采用USB供电，而且还可以通过USB线直接对SD的文件进行操作，实现即插即用。

对于3.3V和2.5V电源输入，这些电源要求的功率都不大，可以采用B1117-2.5和B1117-3.3稳压芯片来提供。3.3V的电源输入如图3所示，2.2V电源输入与之类似。

3.3 音频解码电路的设计

图2 晶振电路

图3 3.3V电源输入

由于使用了ARM处理器，MP3的解码方法有两种，一是通过ARM处理器软解码，通过对MP3数据格式的解析实现MP3播放。二是通过外部解码芯片解码。前者对处理器运算要求高，在解码高码率的MP3时，STM32的处理能力不足，得不到好的解码效果，而且STM32解码之后还需要外部的DAC来做音频输出，所以采用后者。

MP3解码芯片选择的是由芬兰VLSI公司出品的一款单芯片MP3/WMA音频解码芯片VS1003，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核，5K的指令ROM，0.5K的数据RAM，串行控制和数据输入接口，同时片内带有一个可变采样速率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器接口，还可以调节音量高低。其电路设计及与主控制器的连接如图4所示。

VS1003与处理器的数据通信是通过SPI总线方式进行的。VS1003主要通过串行命令接口(SCI)和串行数据接口(SDI)来接收STM32控制器的控制命令和MP3的数据。通过XCS、XDCS引脚的置高、置低来确认是哪一个接口处于传送状态。对VS1003芯片的功能控制，如初始化、暂停、音量控制的读取等，均是通过SCI写入到特定寄存器来实现的。

图4 音频解码电路

图6 人机交互设备电路

3.4 SD卡模块

SD卡在日常生活与工作中使用非常广泛，已经成为最为通用的数据存储卡。在MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、安全性强等优点。SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，而SPI方式采用4线制，使用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。因此设计中使用STM32内部接口SPI1与SD卡进行通信[4]，图5是其引脚连接情况。

3.5 人机交互设备模块

人机交互设备包括输入设备和输出设备，对于输出设备，采用彩色液晶屏，这里选择一款2.8寸的TFT液晶屏ILI9341，其分辨率为320*240，工作模式为8位数据模式，与MCU的通讯所需IO口较少，速度也较快。输入设备为了使控制方便，人性化，采用触摸屏实现。触摸屏的控制芯片选择由TI公司生产的12位四线触摸屏控制芯片ADS7843，因为该芯片的精度是12Bit，有很高的分辨率，有利于屏幕控制精度的提高。LCD与主控制器是SPI接口方式。其电路设计如图6所示。

4.系统软件设计

4.1 系统软件开发平台

Cortex-M3是ARM公司推出的最新的针对控制器应用的内核，提供业内领先的高性能和低成本的解决方案。但目前能够支持Cortex-M3架构的开发工具很少，而MDK是ARM公司推出目前性价比最高的支持Cortex-M3处理器的开发工具。故本次设计的软件平台是建立在MDKµVision3之上的[5]。

4.2 软件设计基础

1）FAT文件系统：MP3播放器支持FAT文件系统，以便识别出SD卡上的音乐文件，需要文件系统存储数据的原理，协议，格式等。根据对文件系统的掌握，通过跑在RTX实时操作系统上的MP3驱动程序和应用程序，将存储在SD卡上MP3数据文件读取出来，并进行正常的播放。

2）GUI图形用户界面：系统中的MP3界面是基于GUI图形界面，采用图形方式显示MP3操作用户界面在视觉上更易于接受。可以通过窗体、菜单、按键等方式来方便的进行操作。

4.3 软件模块化设计

从整个系统来说，按其与硬件是否直接相关，可以把软件分为两大部分：

（1）与硬件相关的底层驱动软件子系统，包括LCD驱动模块、触摸屏驱动模块、SD卡驱动模块、VS1003驱动模块。

图5 SD卡连接

图7 程序设计流程图

（2）与硬件无关的应用软件子系统，包括FAT文件系统管理模块和音乐播放模块。主程序的设计流程如图7所示。

系统启动后，先初始化STM32处理器，再初始化各硬件模块，完成底层驱动。由MCU通过FAT文件系统接口读取SD卡的一些基本信息，如容量、FAT表及根目录所在的启始扇区等。通过获得这些信息，就可以找出SD卡是否有我们可以播放的音乐文件。若有音乐文件，处理器将通过SPI总线方式读出该文件的音频信息，并将歌曲的数据流信息送入到解码芯片中，通过VS1003芯片解码以及其内含的高质量的立体DAC和耳机驱动电路，实现MP3歌曲的播放。在触摸屏的控制下，通过LCD中菜单选项实现歌曲选择和音量控制。

5.总结

本文提出了一种基于STM32的嵌入式MP3播放器的设计方案，硬件上重点介绍了各模块的电路设计，软件上介绍了需要的嵌入式知识和主程序的流程。该方案对于需要嵌入式媒体播放器的工业控制、车载播放器等行业具有一定的研究价值。方案设计中涉及到很多内容，包括芯片的选型与设计，实时操作系统移植，FAT文件管理系统，GUI图形用户界面，对嵌入式的设计具有一定的参考性。整个系统设计简洁，可靠性高，具有很高的性价比。

[1]程磊.基于STM32的MP3播放器的设计[J].技术创新,2011(12).

[2]王永虹,徐炜,郝立平等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京航空航天大学出版社,2008.

[3]江力,蔡骏等.单片机原理与应用技术[M].清华大学出版社,2006.

[4]潘浩.嵌入式MP3播放系统研究[D].北方工业大学,2008.

[5]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京航空航天大学出版社,2008.