引言STM32系列微控制器采用ARM公司最新的CortexM3內核\[1\]。VS1003音頻解碼芯片為VS10xx系列的第三代產品，是芬蘭VLSI Solution 公司生產的單片MP3/WMA/MIDI解碼和ADPCM編碼芯片\[2\]。本文采用STM32系列微控制器，結合解碼芯片VS1003、SD卡、LCD等外圍設備設計并實現了MP3播放器。其主要功能有：播放VS1003支持的所有音頻文件，如MP3、WMA、WAV文件，且音質非常好；通過搖桿控制播放上一首/下一首、音量增減等；通過LCD顯示歌曲名字和播放狀態；本系統還實現了讀卡器功能，PC機可通過USB接口直接對開發板上的SD卡進行讀寫操作，以方便拷貝音頻文件。1 STM32處理器CortexM3是ARM公司最新推出的基于ARMv7體系架構的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特點，專門為嵌入式應用領域設計。ARMv7架構采用了Thumb2技術，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術的基礎上發展起來的，并且保持了對現存ARM解決方案完整的代碼兼容性\[3\]。Thumb2技術比純ARM代碼少使用31%的內存，減小了系統開銷，同時能夠提供比Thumb技術高出38%的性能。在中斷處理方面，CortexM3集成了嵌套向量中斷控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是CortexM3處理器的一個緊耦合部分，可以配置1~240個帶有256個優先級、8級搶占優先權的物理中斷，為處理器提供出色的異常處理能力。同時，搶占（Preemption）、尾鏈（Tailchaining）、遲到技術（Latearriving）的使用，大大縮短了異常事件的響應時間。CortexM3異常處理過程中由硬件自動保存和恢復處理器狀態，進一步縮短了中斷響應時間，降低了軟件設計的復雜性\[3\]。CortexM3體系架構提出了新的單線調試技術，CortexM3處理器的跟蹤調試是通過調試訪問端口(Debug Access Port，DAP)來實現的。DAP端口可以作為串行線調試端口（SWDP）或串行JTAG調試端口（SWJDP，允許JTAG或SW協議）使用\[3\]。其中SWDP只需要時鐘和數據2個引腳，實現低成本跟蹤調試，避免使用多引腳進行JTAG調試，并全面支持RealView編譯器和RealView調試產品\[4\]。此外CortexM3還具備高度集成化的特點，大大減小了芯片面積，內部集成了許多緊耦合系統外設，合理利用了芯片空間，使系統滿足下一代產品的控制需求。STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3內核的基礎上擴展了高性能的外圍設備。2 VS1003 MP3/WMA音頻編解碼器VS1003內部包含1個高性能、低功耗的DSP處理核（VSDSP），1個工作內存，1片可供用戶程序使用的5.5 KB RAM，1個串行SPI總線接口，1個高質量的采樣頻率可調的過采樣DAC以及1個16位的采樣ADC。VS1003的內部結構如圖1所示\[2\]。MP3播放過程是STM32通過SPI1接口將數據從SD卡中取出，然后通過SPI2接口送至解碼芯片VS1003解碼播放。這里解碼模塊單獨使用一個SPI接口，以減小干擾和噪聲、提高音質。3 系統硬件設計本系統在硬件上分為6個模塊： 微控制器STM32F103、解碼模塊VS1003、存儲模塊SD卡、控制搖桿Joystick、USB接口和顯示屏LCD。系統硬件框架如圖2所示。下面分別介紹系統的存儲模塊SD卡、解碼芯片VS1003與STM32的硬件連接情況。3.1 SD卡與STM32的連接該系統使用STM32內部接口SPI1與SD卡進行通信，下面介紹其引腳連接情況。PE3：低電平有效，連接到SD卡的片選引腳CD/DAT3。SPI在和SD卡進行通信時，需要將PE3拉低才能對SD卡進行操作。PA7：映射為STM32內部接口SPI1的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設備，SD卡是從設備。數據流的傳輸方向是從STM32傳輸給SD卡。該信號線用于傳輸一些控制命令來完成SD卡的操作，如讀、寫等。PA5：已連接到STM32內部接口SPI1的時鐘(SCLK)信號線。可設置SPI的時鐘頻率來調整讀取SD卡數據的快慢。PA6：已連接到STM32內部接口SPI1的主輸入從輸出(MISO)信號線。數據的傳輸方向是從SD卡傳輸給STM32，主要返回SD卡的一些狀態、內部寄存器值等。PC12：用于檢測SD卡是否完全插入。當SD卡完全插入時，PC12為低電平，否則為高電平。3.2 VS1003與STM32的連接該系統使用STM32內部接口SPI2與VS1003進行通信，下面介紹其引腳連接情況。PA3：VS1003的中斷請求引腳。當VS1003內部數據已處理完畢，需要新的數據時，將DREQ拉高。STM32根據這個信號來給VS1003發送新的數據流。PB13：已連接到STM32內部接口SPI2的時鐘(SCLK)信號線。PB14：已連接到STM32內部接口SPI2的主輸入從輸出(MISO)信號線。這里STM32是主設備，VS1003是從設備。數據流的傳輸方向是從VS1003傳輸給STM32。主要用于讀取VS1003的一些狀態和內部寄存器值，比如寄存器測試返回的內部寄存器的值。PB15：已連接到STM32內部接口SPI2的主輸出從輸入(MOSI)信號線。這里STM32是主設備，VS1003是從設備。數據流方向是從STM32傳輸給VS1003，主要傳輸給VS1003一些控制命令、MP3/WMA數據流等。PA1：低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI傳輸的是控制信號。控制信號包括讀寫VS1003的內部寄存器、對VS1003進行初始化、設置左右聲道音量等。PA2：低電平有效，如果拉低該引腳，那么通過SPI傳輸的是數據信號。比如在向VS1003傳輸MP3/WMA的數據流時需要拉低該引腳。PA0：低電平有效，拉低該引腳則硬件復位VS1003。4 系統軟件設計本系統的軟件由集成開發工具RealView MDK專業版開發，它具有強大的編譯、鏈接和調試功能。軟件結構如圖3所示。本系統的工作過程大致為：STM32通過SPI1從SD卡中讀取MP3/WMA文件，將所讀取的數據流通過SPI2發送到VS1003解碼器中播放；PC機可通過USB總線讀寫SD卡的內容，傳送MP3/WMA等文件；LCD顯示屏用于顯示MP3的文件名、播放狀態。五維搖桿左右搖動控制播放上一首/下一首，上下搖動控制音量，按下則控制播放/暫停。由于SPI1讀取SD卡文件的速度遠超過VS1003播放數據流的速度，因此VS1003在播放來自SPI2的數據流期間，SPI1能從SD卡中讀取下次播放所需的數據，不會產生聲音不連續的情況。由于使用了2個SPI接口，相互之間無干擾，且提高了文件系統的效率，因此本系統能得到非常高品質的音樂。限于篇幅，下面僅介紹軟件的兩個核心模塊。4.1 SD模塊SD模塊主要提供SD卡驅動以及對FAT文件系統操作的函數，FAT文件系統支持長文件名。該模塊主要含有2個文件msd.c和fat16.c。下面分別介紹其主要函數的功能。4.1.1 msd.c該文件用于提供SD卡的驅動，主要包括以下函數。SPI_Config：配置與SD卡相連接的SPI1及相關GPIO。MSD_Init：初始化SD卡通信。Get_Medium_Characteristics：獲取SD卡的容量和塊大小等相關信息。MSD_GoIdleState：令SD卡處于空閑態。MSD_SendCmd：向SD卡發送命令。MSD_GetResponse：從SD卡獲取響應。MSD_GetStatus：獲取SD卡的狀態。MSD_WriteBlock：向SD卡寫入1個塊的數據。MSD_ReadBlock：從SD卡讀取1個塊的數據。以下是函數MSD_ReadBlock的實現：u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead){u32 i = 0;u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;MSD_CS_LOW();//拉低片選信號，選中SD卡MSD_SendCmd(MSD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF);//發送讀取塊命令//檢測SD卡是否有返回信息，若是則返回0x00if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR)){if (!MSD_GetResponse(MSD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ)){//等待數據令牌，標志數據傳輸開始for (i = 0; i < NumByteToRead; i++){//讀取數據*pBuffer = MSD_ReadByte(); //緩存收到的數據pBuffer++;//緩存指針后移}rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;//修改rvalue的值為成功}}MSD_CS_HIGH();//拉高片選信號，禁用SD卡MSD_WriteByte(DUMMY);//寫無效字節，傳輸結束return rvalue;//返回}4.1.2 fat16.c該文件提供對FAT16文件系統的支持，主要包含以下函數。ReadMBR：讀取MBR數據結構。ReadBPB：讀取BPB數據結構。ReadFAT：讀取文件分配表指定項。ReadBlock：讀取SD卡的一個扇區。FAT_Init：獲取FAT16文件系統的基本信息。DirStartSec：獲取根目錄的開始扇區號。DataStartSec：獲取數據區的開始扇區號。ClusConvLBA：獲取一個簇的開始扇區號。LBAConvClus：轉換扇區號與簇號之間的關系。GetFileName：獲取指定文件的首扇區號。ListDateTime：列出文件或子目錄創建的時間日期。SearchFoler：在指定范圍內查找文件或子目錄。ListDir：列出指定范圍內的文件或子目錄及相關信息。FAT_FileOpen：打開指定文件。FAT_FileRead：讀取文件數據。4.2 VS1003模塊VS1003模塊主要提供對解碼芯片VS1003的驅動，為應用層播放音頻數據、控制音量聲道等提供基本接口。該模塊主要含文件vs1003.c。其主要函數的功能如下。vs1003.c文件主要提供VS1003芯片的驅動，包含以下幾個主要函數。VS1003_Config：配置STM32與VS1003連接的相關引腳，包括SPI2、PA0、PA1、PA2、PA3。SPIGetChar：通過SPI從VS1003讀取1個字節。SPIPutChar：通過SPI向VS1003寫入1個字節。如果是MP3/WMA數據流，則VS1003將開始解碼并播放。Mp3ReadRegister：讀取VS1003寄存器的值。Mp3WriteRegister：寫VS1003寄存器。Mp3Reset：VS1003復位，包括軟件復位和硬件復位。Mp3SoftReset：VS1003軟件復位，設置時鐘、采樣率、重音、音量、立體聲等參數，一般在2首樂曲之間需要一次軟件復位。VsSineTest：播放正弦聲波，用于測試VS1003和STM32的連接是否完好。結語本文提出了一種基于STM32的MP3播放器設計方案，并使用ARM開發工具RealView MDK實現了該方案的原型。盡管該方案無法作為一個通用MP3的方案，但是對于某些音頻需要的工業控制、汽車電子、醫療電子等方案具有一定的參考性。另外，本系統綜合使用了STM32處??器的多個外圍接口，也可供讀者學習參考。(mbbeetchina)