基于VS1003解碼器的MP3播放器設計※

洪家平

(湖北師范學院計算機科學與技術學院,黃石 435002)

基于VS1003解碼器的MP3播放器設計※

洪家平

(湖北師范學院計算機科學與技術學院,黃石 435002)

以MSP430F149作為核心控制器,結合VS1003音頻解碼器,設計了一種帶SD卡的MP3播放器,給出了MP3播放系統的軟硬件設計。在硬件設計上,解碼器與存儲器分離,增加了存儲容量;在軟件設計上,使用條項菜單方式進行管理,可以方便地進行硬件或軟件的升級。經過測試,該MP3播放器播放效果較好。

MP3播放器;SPI總線;MSP430F149;VS1003

引 言

雖然現在市場上MP3的款式越來越多,功能越來越豐富,外觀設計也越來越個性化和人性化,但是,現有的MP3播放器大部分還是將解碼器與存儲器一體化。這種設計對MP3播放器的便攜性起了關鍵性的作用,但與此同時也帶來了一些問題:一方面存儲容量不易擴展,另一方面也不利于MP3播放器在其他領域的應用。本系統將存儲器與解碼器分離,可以利用多余的I/O接口,只要適當增加少量硬件開銷并添加相應代碼,即可以在此系統基礎上方便地增加電壓測量、頻率測量、溫度測量等功能,做到一機多用。

1 系統設計

MP3播放器系統結構框圖如圖1所示。系統在硬件上主要包括MSP430F149單片機最小系統、音頻解碼模塊、SD卡讀寫模塊、液晶顯示模塊以及用來存儲自制字庫的Flash存儲器等重要模塊。

圖1 MP3播放器系統結構框圖

MSP430F149是美國TI公司的MSP430系列單片機,它具有適合于各種應用的16位結構。采用“馮?諾依曼”結構,因此其 RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一片地址空間內。而且具有超低功耗性能,同其他微控制器相比,MSP430系列可以大大延長電池的使用壽命,這對手持設備及一些要求低功耗電子產品中是非常重要的。此外,它還具有靈活、強大的處理能力、豐富的存儲器、外設等優點。

2 硬件模塊的具體實現

2.1 MSP430F149單片機最小系統

MSP430F149最小系統是整體設計中最核心的部分,控制著系統各個子模塊之間的協調運行。它設計的成功與否,直接關系到整個設計能否正常運行。如圖2所示,MSP430F149最小系統中主要由穩壓模塊、晶振電路、復位電路以及人機交互式按鍵輸入4部分組成。SPX1117M 3-3.3是系統穩壓芯片,為系統提供穩定的3.3 V電源。SP708S是系統管理芯片,與手動復位開關一起,主要起可靠復位作用。考慮到MP3播放器的人機交互操作,共設計了6個按鍵(KEY1到KEY6)。它們的按鍵功能分別是:確定、向下、向上、退出、音量加、音量減。

2.2 音頻解碼模塊

圖2 MSP430F149最小系統

VS1003是芬蘭VLSI公司生產的單芯片MP3/WMA音頻解碼芯片。其擁有一個高性能、低功耗的DSP處理器核VSDSP,5KB的指令RAM,0.5 KB的數據RAM,串行的控制和數據輸入接口,4個通用I/O口,1個UART口,1個可變采樣率的ADC,1個立體聲DAC以及音頻耳機放大器。其內部結構圖如圖3所示。

圖3 VS1003內部結構圖

音頻解碼模塊對單片機從SD卡里讀取的數字MP3音頻數據流進行解析,并轉換成模擬信號進行輸出。圖4是該MP3播放器的音頻解碼模塊電路原理圖。

圖4 音頻解碼模塊電路原理圖

采用VS1003音頻解碼芯片來實現音樂數據流的解析。VS1003與核心控制器MSP430F149的數據通信是通過SPI總線方式進行的。VS1003通過串行命令接口(SCI)和串行數據接口(SDI)來接收MSP430F149的控制命令和MP3的數據;通過xCS、xDCS引腳的置高/低來確認是哪一個接口處于傳送狀態。VS1003的功能控制,如初始化、軟復位、暫停、音量控制、播放時間的讀取等,均是通過SCI口寫入特定寄存器實現的。兩條SCI指令之間要通過DREQ引腳信號判斷上一次處理是否完成。

2.3 SD卡模塊

SD卡價格低,存儲容量大,使用方便,通用性與安全性強,MP3、數碼相機等設備上都采用SD卡作為其存儲設備。

SD卡支持兩種總線模式:SD模式與SPI模式。其中,SD模式采用6線制,而SPI模式采用4線制。采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用SPI模式。可用不同的初始化方式使SD卡工作于SD或SPI模式。

本設計中,音頻數據MP3文件以SD卡為載體,所以設計電路時必須含有讀取SD卡模塊。圖5為SD卡模塊(SPI模式)的接口電路。

2.4 液晶顯示模塊

LCD3310液晶是一個48行84列的液晶顯示器。其帶有低功耗PCD8544的CMOS LCD控制驅動器,串行輸入速度最高可達4.0 M b/s。為了讓LCD3310液晶能夠顯示4行12×12的漢字,系統開辟了一個6×84字節的緩沖區。寫液晶時就不用直接寫入LCD3310的靜態DDRAM了,可以先寫入系統為它開辟的數據緩沖區,最后再刷新修改的部分就可以顯示出要顯示的內容。LCD3310的接口采用SPI模式,其電路如圖6所示。

圖5 SD卡模塊接口電路

圖6 液晶顯示模塊接口電路

3 軟件設計

圖7是MP3播放器的軟件流程。系統啟動后,先初始化硬件模塊。由單片機通過FAT32文件系統接口讀取SD卡的一些基本信息,如容量、扇區大小、FAT表以及根目錄所在的起始扇區等。通過這些信息就可以找出SD卡是否有可以播放的音樂文件。若有,單片機通過SPI總線方式讀出音頻信息,并將歌曲的碼流信息送入到VS1003芯片中,通過VS1003解碼芯片及其內含的高質量立體聲DAC和耳機驅動電路,實現MP3歌曲的播放功能。在按鍵的控制下,通過LCD3310中菜單選項的選擇,實現對歌曲選擇及音量控制等功能;在播放的同時,LCD3310上顯示的信息除歌曲名稱外,還包括進度和音量等。

圖7 MP3播放器的軟件流程

編者注:SD卡、LCD3310液晶、VS1003音頻解碼器初始化程序略。

經過運行測試,系統可以正常流暢地播放出320 kb/s的高音質MP3音樂文件,而且在使用500 m A鋰電池的情況下,可以連續正常地播放長達10個小時。可見,其功耗比較低。

結 語

本著低成本、實用性強的原則,設計了一種解碼器與存儲器分離的MP3播放器,可以流暢地播放出高音質的MP3文件。同時,只要適當增加少量硬件開銷并添加相應代碼,即可以利用多余的I/O口在此系統基礎上方便地增加如電壓測量、頻率測量、溫度測量等功能,真正做到一機多用。

編者注:本文為期刊縮略版,全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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[3]梁炎昌.一個占用內存極少的菜單系統的實現[EB/OL].(2009-4-26)[2010-05].http://www.docin.com/p-26094353.htm l.

[4]肖宏偉.Visual C++開發答疑[M].北京:人民郵電出版社,2003.

MP3 Player Design Based on Decoder VS1003※

Hong Jiaping
(College of Com puter Science and Technology,HubeiNormal University,Huangshi 435002,China)

Taking MSP430F149 as the core controller and VS1003 as audio decoder,an MP3 p layerwith SD card is designed.System hardw are and softw are designs are given.In the design of hardw are,the decoder and thememory are separated,increasing the storage capacity;in the design of softw are,management is achieved through themenu items,facilitating the hardware and softwareupgrading.Test show s that thisMP3 player can play high-quality audio files with good effect.

MP3 player;SPIbus;MSP430F149;VS1003

TP368.1

A

洪家平(教授),主要研究方向為嵌入式系統應用、無線傳感器網絡技術與應用。

2010-05-17)

TKScope嵌入式仿真開發平臺講座(21)