基于ARM的MP3播放器的研究與實(shí)現(xiàn)

吳小鋒，張西寧，馬 博

（1.西安郵電大學(xué)人事處，陜西西安710121；2.陜西廣電網(wǎng)絡(luò)傳媒（集團(tuán)）股份有限公司技術(shù)部，陜西西安

710061；3.西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安710121）

隨著編碼與解碼，以及壓縮技術(shù)的進(jìn)步，語音文件一直朝著高壓縮比、高保真的方向發(fā)展。在目前普遍應(yīng)用的音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，MP3具有算法復(fù)雜、壓縮比大、效果好等優(yōu)點(diǎn)，其音質(zhì)在低碼率的條件下能夠接近CD的效果。在市場消費(fèi)刺激下，各大公司紛紛推出了自己的MP3播放器產(chǎn)品。為了進(jìn)一步改善市場上MP3播放器存儲(chǔ)容量小、價(jià)格昂貴、播放歌曲單一的不足，文中基于STM32F103VET6微控制器，結(jié)合芬蘭VLSI Solution公司生產(chǎn)的音頻編解碼芯片VS1003，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種個(gè)性化的MP3播放器。

1 MP3解碼原理

1.1 MP3幀結(jié)構(gòu)

MP3幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含以下幾個(gè)字段，即幀頭、CRC校驗(yàn)、邊信息、主數(shù)據(jù)和附加數(shù)據(jù)等[1]。在每一個(gè)幀中都有一個(gè)幀頭，長度為4個(gè)字節(jié)，幀頭最前面的12比特總是被設(shè)置為1，被稱作為“幀同步字”。如果幀頭的校驗(yàn)位為0，則幀頭后面有長度為2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)值，把這個(gè)值和通過計(jì)算得出的CRC值進(jìn)行比較就可以得知該幀是否有效。對邊信息進(jìn)行解碼能夠找出主數(shù)據(jù)從哪里開始以及尺度因子長度等參數(shù)信息。

圖1 MP3幀結(jié)構(gòu)

1.2 解碼實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)解碼方式不同，解碼MP3文件可以采用軟件解碼和硬件解碼兩種方式[2]。

軟件解碼過程是通過解碼程序來實(shí)現(xiàn)，這一程序依據(jù)解碼算法編寫，CPU執(zhí)行解碼程序后，就可以將音頻信號從MP3音頻文件中解析出來。該方案只需要開發(fā)者提供基本的硬件條件，對硬件要求不高。經(jīng)過解碼得到的MP3數(shù)據(jù)通過主控板的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能就可以生成音頻信號，輸入功放后即可播放聲音。然而，如果有大量的MP3文件需要解碼，就需要占用大量的CPU時(shí)鐘，因此該方案對CPU性能要求相對高些。

硬件解碼過程就是將解碼算法過程硬件化。解碼模塊集成專用的解碼芯片，自動(dòng)對MP3文件的音頻信號進(jìn)行解析，獲取解碼頻率和解碼時(shí)間。這一方案的顯著優(yōu)點(diǎn)是解碼速度快，同時(shí)不需要占用CPU對音頻文件進(jìn)行處理，只需要把MP3數(shù)據(jù)流送入解碼模塊中，芯片就會(huì)自動(dòng)解碼。

由以上分析可以看出，通過硬件解碼方式能夠得到音質(zhì)較好的音頻信號[3]，而軟件解碼中由于CPU性能和解碼算法中數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化操作，導(dǎo)致其音頻信號會(huì)有損耗。文中采用硬件解碼MP3文件方式，使用具有SPI接口的專用MP3解碼芯片，同時(shí)保證了文件數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

2 MP3播放器的總體設(shè)計(jì)

2.1 功能介紹

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的MP3播放器具備以下功能：

1）支持對SD卡的訪問，能夠播放SD卡中的MP3文件；

2）在播放音頻文件時(shí)，同步顯示MP3文件的歌曲名、播放時(shí)間以及聲音幅度的大小變化；

3）播放過程中，能夠?qū)Σシ盼募M(jìn)行上一曲、下一曲、循環(huán)等操作，以及對音效進(jìn)行改變；

4）可以顯示SD卡中的文件夾和文件，調(diào)節(jié)播放音量的大小。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對MP3播放器系統(tǒng)的功能需求分析，可以將系統(tǒng)劃分為STM32F103RB核心處理[4]、SD卡音頻文件讀取、觸摸屏控制、LED控制、SPI控制、音頻數(shù)據(jù)控制、MP3音頻解碼播放等多個(gè)模塊，系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MP3播放器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 MP3播放器的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 主控程序設(shè)計(jì)

主控制程序的流程如圖3所示，系統(tǒng)開機(jī)后，依次按如下步驟執(zhí)行：

圖3 系統(tǒng)主控程序流程圖

1）對系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊的初始化；

2）對FAT文件系統(tǒng)[5]的初始化。這里需要判斷初始化是否成功，如果不成功，系統(tǒng)則會(huì)一直檢索SD卡[6]，直到檢測到能被系統(tǒng)識別的SD卡和文件系統(tǒng)為止。

3）查找系統(tǒng)文件。系統(tǒng)文件保持在SYSTEM文件夾下，該文件夾下又包括FONT子文件夾。FONT文件夾下包括FONT12.FON和FONT16.FON兩個(gè)字體文件。

4）根據(jù)用戶輸入，執(zhí)行相應(yīng)功能。SD卡中有用戶建立的MUSIC文件夾，其中存放著歌曲文件。用戶插上耳機(jī)，根據(jù)顯示界面上的提示選擇相應(yīng)功能，即可聽到播放的歌曲。

3.2 硬件平臺選擇

STM32系列采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，其功耗為36 mA，是市場上功耗最低的32位產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz[7]，是專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中，采用STM32F103RB處理器。STM32系列處理器具有如下一些特點(diǎn)：

1）內(nèi)核：32位ARM Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz，1.25 DMIPS/MHz。單周期乘法和硬件除法[8-10]。

2）存儲(chǔ)器：片上集成的Flash存儲(chǔ)器容量為32-512KB、SRAM存儲(chǔ)器容量為6-64KB[11]。

3）DMA：DMA控制器的通道數(shù)為12[12]。支持的外設(shè)有多種，例如定時(shí)器、ADC、DAC、I2C、USART和SPI等。

4）2個(gè)12位的微秒級的A/D轉(zhuǎn)換器（通道數(shù)為16）：A/D測量范圍為0～3.6 V，雙采樣和保持能力。片上同時(shí)集成了一個(gè)溫度傳感器。

5）2通道 12位 D/A轉(zhuǎn)換器：STM32F103xC、STM32F103xD、STM32F103xE獨(dú)有。

6）多達(dá)13個(gè)通信接口：2個(gè)I2C接口（支持SMBus/PMBus），5個(gè) USART接口（支持 ISO7816、LIN、IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），3個(gè)SPI接口（18 Mbit/s），其中2個(gè)可復(fù)用為I2S接口，CAN接口（2.0B），USB 2.0全速接口和SDIO接口。

3.3 硬件解碼模塊

硬件解碼過程通過解碼芯片VS1003來實(shí)現(xiàn)[13]（如圖4所示）。輸入的比特流首先通過解碼芯片VS1003的串行接口來接收。輸入的比特流被解碼后，通過一個(gè)數(shù)字音量控制器到達(dá)一個(gè)過采樣立體聲DAC（18位）。VS1003模塊的初始化是通過XRST、XDCS、XCS、DREQ、SCK、SO、SI等7個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)的。VS1003芯片工作時(shí)，首先進(jìn)行硬件復(fù)位，經(jīng)過延時(shí)處理后，再進(jìn)行軟件復(fù)位，等待DREQ信號為高；軟件復(fù)位結(jié)束后便可設(shè)置VS1003芯片，最后向VS1003發(fā)送4個(gè)字節(jié)無效數(shù)據(jù)，啟動(dòng)SPI發(fā)送后，即可完成對VS1003芯片的初始化工作。

3.4 SD卡中音頻文件讀取

系統(tǒng)采用FAT文件系統(tǒng)管理SD卡。文件分配表FAT采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在FAT32文件系統(tǒng)中用于磁盤數(shù)據(jù)（文件）索引和定位。讀取SD卡文件時(shí)，SD卡上的文件存取都是以簇為單位，首先根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項(xiàng)，然后根據(jù)目錄登記項(xiàng)中的簇號便可以讀取文件的全部內(nèi)容。在需要讀取SD卡中數(shù)據(jù)時(shí)，使用的命令字為CMD17，接收正確時(shí)第一個(gè)響應(yīng)命令字節(jié)為0xFE，隨后是512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)塊，最后為2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。

圖4 VS1003硬件結(jié)構(gòu)圖

3.5 顯示模塊

1）TFT觸摸屏

系統(tǒng)采用2.4寸的TFT液晶屏，其分辨率為240*320，65K色，通過TI公司ADS7846觸摸屏控制芯片增添觸摸功能[14]。

2）觸摸屏工作原理

觸屏校準(zhǔn)是使用觸摸屏之前必須進(jìn)行的操作，通過采集觸摸屏上4個(gè)角的物理坐標(biāo)，然后使用一定方法（如待定系數(shù)法）就可以算出坐標(biāo)系之間的平移關(guān)系。

3）uC/GUI顯示模塊

uC/GUI是一種圖形支持系統(tǒng)，主要應(yīng)用于嵌入式環(huán)境，具有以下特點(diǎn)[15]：只要有合適的C編譯器提供支持，可以適用于任何8/16/32位CPU；只要有合適的LCD驅(qū)動(dòng)（小模式顯示時(shí)除外），可以適用于任何類型的液晶顯示，支持單色、灰度和彩色；所有接口支持使用宏進(jìn)行配制；可以定制顯示尺寸；字符和位圖對液晶顯示的起點(diǎn)沒有特別要求，可以從任意起點(diǎn)開始顯示。此模塊利用uC/GUI顯示播放器的界面，包括歌曲的名字、音量大小、上一曲、下一曲、循環(huán)、列表瀏覽等功能。

4）字庫設(shè)計(jì)

由于CPU的Flash存儲(chǔ)器容量只有512KB，無法一次把所有的字庫數(shù)據(jù)全部寫入到W25X16芯片。可以將這些數(shù)據(jù)分為5部分寫入，依次為：ASCII字符的寫入、GB2312字庫文件前半部分的寫入、GB2312字庫文件后半部分的寫入、unicode碼到oem碼轉(zhuǎn)換表[16]的寫入、oem碼到unicode碼轉(zhuǎn)換表的寫入。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目以STM32F103RB為核心控制器，結(jié)合VS1003音頻解碼器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)MP3播放器。STM32系列CPU擁有豐富的資源，基本不需要添加外部器件，可以通過軟件升級來增加產(chǎn)品的功能，性能提升非常方便。播放器系統(tǒng)采用觸摸屏控制，使得系統(tǒng)操作更為人性化，可以方便地控制整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了MP3歌曲的播放、換歌、循環(huán)等功能，具有成本低、存儲(chǔ)容量大、擴(kuò)展性強(qiáng)、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，必將在智能汽車、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MP3播放器的主要功能，可以對一些輔助功能進(jìn)一步加以完善，例如增加鬧鐘、電子書等功能，以使得系統(tǒng)更具實(shí)用性。

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