基于无线控制的音乐播放器设计

张秀再 杜蒙 陈彭鑫 吴华娟

摘 要： 设计一种基于无线控制的音频播放系统，该系统由无线通信模块，SD卡模块，MP3解码模块，TFT显示模块以及按键控制模块构成。系统以STM32F103单片机作为控制中心，客户端通过检测按键中断将相应控制信息传送给无线发射模块，服务端通过无线接收模块接收控制信息，完成音乐播放，音量调节，歌曲切换等操作，并且通过TFT显示屏对多媒体信息以及控制信息进行显示。该系统除了具有功耗低、成本低的优势以外，还兼具便携、稳定、可视性强等特性。

关键词： STM32F103单片机； 无线控制； MP3解码； TFT显示

中图分类号： TN926?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）08?0111?04

Design of music player based on wireless control

ZHANG Xiuzai1， 2， 3， DU Meng1， CHEN Pengxin1， WU Huajuan1

（1. School of Electronic & Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China；2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing 210044， China；3. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： A music player system based on wireless control was designed. The system is composed of wireless communication module， SD card module， MP3 decoding module， TFT display module and keyboard control module. STM32F103 is used as the control center of the system. The client transmits the corresponding control information to the wireless transmitter module by detecting the interruption produced by key pressing， and the server?side receives the control information through the wireless receiving module to accomplish the functions of music playback， volume control and songs switch， and display the multimedia information and control information through the TFT display screen. The system has the advantages of low power consumption， low cost， and characteristics of portability， stability， strong visibility， etc.

Keywords： STM32F103； wireless control； MP3 decoding； TFT display

音乐播放器作为人类生活和娱乐不可或缺的一部分，其智能化发展是大势所趋，其智能化控制更是智能家居的重要组成部分[1]。家居智能化首次作为概念被提出，是在20世纪的美国，而后在其他发达国家取得了快速的进展，其中包括欧洲、日本等国[2]。在我国，由于国内现状所致，家居智能化系统很晚才被引进国内，大约是在20世纪末期，但由于其发展速度飞快，时至今日，已存在相当多的智能住宅以及智能小区[3?4]。本设计的主要内容是为了解决音乐播放器的无线控制以及多媒体信息的实时显示，其中最核心的部分是无线收发模块的使用，MP3音频解码模块的文件解码功能以及对SD卡不同文件系统的支持[5]。本设计暂时支持FAT文件系统与NTFS文件系统，如果想支持更多的文件系统，则需要更加复杂的适配与裁剪[6]。本设计预计提供音量调节，播放/暂停，歌曲切换，歌曲预览，歌曲选择等无线控制选项，实现无线控制SD卡内音频文件的播放以及其他多媒体文件的展示，并通过TFT彩色显示屏实现人机交互。同时，客户端提供接入路由器的通信接口，以实现并入智能家居，为后续扩展之用。

1 硬件系统结构

系统总体的硬件结构框图如图1所示。客户端主控制器监测控制按键的按下，按键采用中断方式告知，主控芯片根据按键信息，生成相应控制命令，发往无线发射模块，无线发射模块将数字信号转换为2.4 GHz无线射频信号发向服务端。

服务端设置无线接收模块通过中断方式接收控制信息，并对SD卡模块，MP3模块，以及TFT显示屏进行相应初始化，当控制信息到来时，主控芯片接收信息并解析，根据控制信息的内容，执行相应音乐播放或多媒体数据展示的操作，并将状态信息实时显示在TFT屏幕上，实现智能化控制。

2 系统硬件设计

2.1 电源模块设计

考虑到本设计采用低功耗设计，且主控芯片的标准供电电压为3.3 V直流电压，所以在核心板上接电的时候需要一个电源模块将5 V电压转换成3.3 V电压，方便使用。本设计采用线性电源（LDO）LM1117?3.3产生3.3 V供电电压为STM32F103供电，如图2所示。为了提高系统的精确度，电源的滤波与隔离应重点考虑。

2.2 主控制系统电路设计

主控制系统采用意法半导体（ST）官方公布的基于Cortex?M3内核的STM32F103XX系列单片机最小系统电路设计，外接晶振为32.768 MHz。Cortex?M3是ARM公司针对微控制器开发领域研发的一个系列， 属于32位RISC高性能处理器，高速的时钟频率，丰富的外设和接口以及对中断多级嵌套的支持，使其产生极高的代码执行效率和数据处理响应能力，在有限的存储空间上展现着ARM内核所带来的极佳性能。而且其自带的FSMC复用接口和SDIO接口，极有利于本设计高效快速的刷新TFT显示屏，读取音频文件，节省系统时间，降低系统功耗。对于需要进行大量浮点运算或实时数据传输的系统来说，此款芯片是一个性价比极高的选择。本设计主控制芯片电路设计如图3所示。

2.3 无线收发模块设计

无线收发模块采用nRF24L01，nRF24L01是一款单片收发芯片，既可以工作在发送模式，也可以处于接收模式，它工作于免费的ISM频段，工作频率为2.4 GHz左右。此款无线收发模块可通过SPI接口对其输出功率和频道选择进行动态设置，极有利于降低系统功耗。芯片内部的频率发生器是无线发射的核心部分，是信号的源头，除此之外，芯片内部还包含各种功率放大器、调制器以及解调器，实现对信号的发送和接收。

nRF24L01拥有20个管脚，内部包含丰富的控制寄存器，外部管脚留有SPI通信接口，MCU可通过SPI接口对芯片内部的各类寄存器按时序进行初始化配置，其设计电路图如图4所示。

2.4 SD卡模块电路设计

SD卡模块用于提供SD以及Micro SD卡的硬件接口，同时为主控制器操作音乐、图片等多媒体资源提供控制和数据传输接口。SD卡文件的读写是指主控制器通过数据通信接口读写SD卡/TF卡中的数据。SD卡作为一种低电压的FLASH存储介质，提供SDIO/SPI两种通信接口。

对于SDIO总线，其显著特点就是读写速度快，数据传输线多，但操作较为复杂，而对于SPI总线协议，它的数据传输速度相对较慢，占用的管脚较少，操作起来比较简便。在嵌入式系统中，为了集成化，数据的采集和存储多采用SD卡和U盘，而且由于SD卡的体积和卡槽比U盘较小，所以SD卡在嵌入式系统中得到了更广泛的应用。在本设计中，主控制器采用SPI接口与SD卡模块进行数据通信，具体的电路设计图如图5所示。

2.5 MP3音乐播放模块

MP3音乐播放模块采用VS1003B作为音频文件的解码芯片，VS1003B可以解码播放MP3，WAV等常用音频文件。而且它还提供音频编码功能，对麦克风咪头输入或线路输入的音频信号，支持MP3和WAV音频流编码，提供高低音控制。低功耗也是该模块的一大特色，该模块与主控制器通过SPI总线进行通信，主控制器将压缩格式的音频数据流传入VS1003B解码芯片，VS1003B解码芯片进行硬解码后将数字信号转换成模拟音频信号输出至EARPHONE接口，以供耳机或音箱进行音乐的播放。其硬件电路设计如图6所示。

2.6 TFT液晶显示模块设计

为了达到更好的人机交互效果，本设计选择了16位色深的TFT真彩液晶显示屏。TFT液晶显示模块具有以下特性：高对比度、强烈的层次感、缤纷多彩的颜色、丰富的显示内容，极佳的人机交互效果。

TFT液晶显示部分是本设计中最重要的人机交互接口，其主要职能是负责实时展示正在播放歌曲的相关信息、包括歌曲名、歌曲总时间、歌曲当前进度、音量大小以及本设计的标题等。由于TFT模块的电流消耗较大，为了避免供电电压不足造成屏幕闪烁，此模块需要与MCU模组分开供电，以保证系统稳定性，其硬件电路图如图7所示。

3 系统软件设计

基于无线控制的音乐播放器系统采用了STM32F103单片机作为控制中心，通过编程来实现。主程序流程如图8所示，程序开始时，首先对MCU内部各模块进行顺序初始化，然后进行按键控制模块的中断注册和无线发送模块的初始化操作。

通过监听控制按键的按下，触发无线发送模块发送相应控制信息到无线接收端。对于接收端，同样要对各个模块进行初始化操作，涉及的模块较多包括无线接收模块、SD卡模块、MP3播放模块、TFT屏显示模块等。主控制器设置无线接收模块以中断方式接收控制信息，节省系统开支，当控制信息到来时，将SD卡中文件读入缓冲区，提取主要信息送到TFT模块进行显示，并及时将文件传送到MP3播放模块进行播放。当有新的控制信息到来时，重复以上过程，整个系统设计对实时性要求较高，应尽量减少系统消耗，进行代码优化。

4 实验与验证

该系统实现了音乐播放器的无线控制与动态信息显示，音乐播放整体效果良好。通过以下实验对该系统做了实验验证，具体实验内容如下：

（1） 环境测试：将该系统放置于复杂的无线通信环境中，此环境包含其他的2.4 GHz无线信号（频道不同），将控制平台放置于百米远处，仍能准确无误地执行所有的无线控制操作（包括歌曲切换、音量调节等），整个系统工作良好，歌曲播放顺畅，显示无误。

（2） 老化测试：将本设计连续开机工作3天，72 h。实验结果理想，设计可以连续正常工作72 h以上。

（3） 低功耗测试：将设计由固纬数控电源供电，观测工作状态时的电流大小。实验结果为100 mA以下，此电流主要由TFT液晶所消耗。

对该系统从无线控制距离、播放流畅度、接收错误率和响应时间等几个方面进行的实验结果如表1所示。

表1 实验结果

5 结 语

该系统实现了音乐播放器的远程控制和音乐信息的动态显示。不仅如此，该系统还具有很高的稳定性，在环境测试和老化测试中，都能准确无误地运行；更进一步的是系统预留了上层接入智能家居的控制接口，为网络控制奠定了基础，具有一定的现实意义和实用价值。

参考文献

[1] 刘钢.嵌入式MP3播放器的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[2] 张轩磊，窦维蓓，董明.面向SoC的数字音频解码系统设计方法[J].电声技术，2008，32（8）：72?76.

[3] 张涛，左谨平，马华玲.FatFs在32位微控制器STM32上的移植[J].电子技术，2010，47（3）：25?27.

[4] 李世奇，董浩斌，李荣生.基于FatFs文件系统的SD卡存储器设计[J].测控技术，2011，30（12）：79?81.

[5] 施建珍.无线控制的智能家居安保系统研究及应用[D].南京：东南大学，2006.

[6] 李亚彬.基于无线控制与无线传输的数据采集系统[D].南京：南京理工大学，2007.