如何去实现一种基于STM32的MP3播放器设计呢

　　前言
　　MP3全称是MPEG Layer 3，狭义的讲就是以MPEG Layer 3标准压缩编码的一种音频文件格式，是一种高质量音乐压缩标准，给音频产业带来了具大的冲击，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，近乎于CD的音质。我们都知道传统音乐文件在网络上传播时，主要用Winamp等播放软件进行播放，使MP3音乐无法脱离计算机进行播放，给音乐欣赏带来不便，而由于人们对MP3音乐的较小数据量和高质量的播放效果所吸引，开始想办法将MP3音乐播放功能单独分离出来，这样就产生了MP3播放器。它的记录媒介是芯片或SD卡，无需转动部件，彻底摆脱了磁带和光碟的束缚，因而抗震和节电性能更好。随着MP3播放器技术的发展，人们对MP3播放器的要求也越来越高，制造商在MP3播放器的选型设计开发和功能等领域等方面做了很多努力，便携式多功能MP3播放器的应用也越来越具有实际应用价值和潜在的市场要求，各大公司纷纷推出了自己的MP3播放器产品，IC供应商也提供了众多的MP3解码芯片及其解决方案，这使得MP3播放器的研制与生产变得更加容易，成本也大大降低，市场更加广阔。以前的MP3播放器大部分都是基于ARM公司最新Cortex-M3内核的STM32系列微控制器，利用该处理器内置的SPI接口对SD存储卡进行控制，并对MP3音频文件进行硬解码或者软解码实现MP3的播放，并使用LCD显示歌词、调节音量等，还有的扩展了USB连接，使MP3播放器可以直接从PC上拷贝音频文件等。
　　主题
　　1、常用模块
　　MP3播放器一般设计方案是以微控制器为主控芯片，比如STM32，从SD卡中读取音乐文件的数据，送音频解码芯片进行解码，通过数模转换器将解出来的数字信号转换成模拟信号，再把转换后的模拟音频放大，低通滤波后送到耳机。有的还加入了USB连接，PC机可通过USB接口直接对SD卡进行读写操作，以方便拷贝音频文件。下面先来介绍一下几个常用模块。
　　1.1、STM32微处理器
　　Cortex M3是ARM公司最新推出的基于ARM v7体系架构的处理器核， 具有高性能、低成本、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计。ARM v7架构采用了Thumb 2技术，它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的， 并且保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性。Thumb 2技术比纯ARM代码少使用31%的内存， 减小了系统开销， 同时能够提供比Thumb技术高出38%的性能。在中断处理方面，Cortex M3集成了嵌套向量中断控制器NVIC （ Nested Vectored Interrupt Controller ）。NVIC是Cortex M3处理器的一个紧耦合部分，可以配置1~240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断，为处理器提供出色的异常处理能力。同时，抢占、尾链、迟到技术的使用，大大缩短了异常事件的响应时间。Cortex M3异常处理过程中有硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性。此外Cortex M3还具备高度集成化的特点，大大减小了芯片面积，内部集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间， 使系统满足下一代产品的控制需求。STM 32系列是基于Cortex M3核的微控制器，它在Cortex M3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。
　　1.2、音频编解码器
　　现在的MP3播放器有采用VS1053音频编解码芯片作为音频文件的硬件解码方案，VS1053能解码MP3、WMA、WAV等格式的音频文件，并且还能进行ADPCM编码，包含一个低功耗，高性能的DSP处理器，VS1053采用SPI的通信方式，通过判断DREQ来控制数据传输，如果此引脚为高电平则发送数据，如果为低电平则停止发送数据，因为音频编解码芯片自带立体DAC输出，如果解码成功，可以用示波器从LEFT和RIGHT引脚测得波形，并能够直接驱动耳机。当然也有使用VS1003音频编解码芯片的，它内部包含1个高性能、低功耗的DSP处理核，1个工作内存，1片可供用户程序使用的5. 5KB RAM，1个串行SPI总线接口，1个高质量的采样频率可调的过采样DAC以及1个16位的采样ADC。无论是选择VS1003还是VS1053，MP3播放过程是STM32通过SPI接口将数据从SD卡中取出， 然后通过SPI接口送至解码芯片VS1003/VS1053解码播放。
　　1.3、TFT液晶显示模块
　　一般传统的显示屏都是使用LCD1602或LCD12864，由于它们像素和图片显示效果不佳，后来MP3播放器都采用了TFT-LCD，它的显示驱动芯片一般采用ILI9320，其有320*240的分辨率，供电电压2.5~3.3V，16位数据接口，高的对比，高亮度，低功耗模拟电阻式触摸屏。
　　1.4、SD卡模块
　　一般MP3播放器系统需要大容量的存储器来保存音乐、图片、汉字字库等文件，而EEPROM的容量不足以满足MP3播放器系统的需求，所以在MP3播放器设计中需要添加一个SD卡模块。SD卡即安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，如今己在各种嵌入式设备上得到了广泛的应用，它具有外观小巧安全性高数据传输率快存储容量大等优点。
　　2、系统硬件设计
　　MP3播放器的主要功能是播放常见的所有音频文件，如MP3、WMA、WAV文件，可控制音量增减，通过LCD显示歌曲名字和播放状态等，有的实现了读卡器功能，PC机可通过USB接口直接对SD卡进行读写操作，以方便拷贝音频文件，当MP3播放器插入到USB接口时，系统执行USB通讯功能。下面分别介绍传统MP3播放器系统的存储模块SD卡、解码芯片VS1003/VS1053与ST M 32的硬件连接情况。
　　2.1、SD卡与STM32的连接
　　一般使用STM32内部接口SPI与SD卡进行通信，具体的硬件引脚连接情况如下：
　　一个普通IO口，低电平有效，连接到 SD卡的片选引脚CD/DATA3。SPI在和SD卡进行通信时，需要将这个普通IO口拉低才能对SD卡进行操作。
　　STM32内部接口SPI的主输出从输入（MOSI）信号线。这里STM32是主设备， SD卡是从设备。数据流的传输方向是从STM32传输给SD卡。该信号线用于传输一些控制命令来完成SD卡的操作，如读、写等。
　　STM32内部接口SPI的时钟（SCLK ）信号线。可设置SPI的时钟频率来调整读取SD卡数据的快慢。
　　STM32内部接口SPI的主输入从输出（MISO）信号线。数据的传输方向是从SD卡传输给STM32，主要返回SD卡的一些状态、内部寄存器值等。
　　另一个普通IO口，用于检测SD卡是否完全插入。当SD卡完全插入时，这个IO口为低电平， 否则为高电平。
　　2.2、音频编解码芯片与STM32的连接
　　常规的设计是使用STM32内部接口SPI与音频编解码芯片进行通信，这里的音频编解码芯片可以是VS1003或者VS1053等，下面以这两款芯片来介绍其引脚连接情况。VS1003或者VS1053的中断请求引脚。当VS1003/VS1053内部数据已处理完毕，需要新的数据时，DREQ拉高。STM32根据这个信号来给VS1003/VS1053发送新的数据流。SCLK连接到STM32内部接口 SPI的时钟（SCLK）信号线。SO连接到STM32内部接口SPI的主输入从输出（ MISO）信号线。这里STM32是主设备，音频编解码芯片是从设备。数据流的传输方向是从音频编解码芯片传输给 STM32。主要用于读取音频编解码芯片的一些状态和内部寄存器值，比如寄存器测试返回的内部寄存器的值。SI连接到STM32内部接口SPI的主输出从输入（MOSI）信号线。这里STM32是主设备，音频编解码芯片是从设备。数据流方向是从STM32传输给音频编解码芯片，主要传输给音频编解码芯片一些控制命令、MP3/WMA数据流等。音频编解码芯片的片选CS是低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是控制信号。控制信号包括读写音频编解码芯片的内部寄存器、对音频编解码芯片进行初始化、设置左右声道音量等。DCS也是低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是数据信号。比如在向音频编解码芯片传输MP3/WMA的数据流时需要拉低该引脚。RESET引脚是低电平有效， 拉低该引脚则硬件复位音频编解码芯片。
　　3、系统软件设计
　　采用STM32为控制器方案的软件由集成开发工具MDK专业版开发，它具有强大的编译、 链接和调试功能。基本工作过程大致为是STM32通过一个SPI从SD卡中读取MP3/WMA文件，将所读取的数据流通过另一个SPI发送到音频编解码芯片中解码播放，如果有USB通信功能，PC机可通过USB总线读写SD卡的内容，传送MP3/WMA等文件，LCD显示屏用于显示MP3的文件名、 播放状态。由于STM32的一个SPI读取SD卡文件的速度远超过音频编解码芯片播放数据流的速度，因此音频编解码芯片在播放来自STM32的另一个SPI的数据流期间， 这个SPI能从SD卡中读取下次播放所需的数据，不会产生声音不连续的情况。由于使用了2个SPI接口，相互之间无干扰，且提高了文件系统的效率， 因此本系统能得到非常高品质的音乐。
　　开机后首先检测硬件资源及软件资源，实现系统自检，自检完成后，自动加载功能菜单，并在触摸屏上显示，然后再根据用户在触摸屏上的选择，进行相应的操作。MP3播放器的核心功能是实现音频播放，这需要获得相应的音乐文件数据，根据文件的存储格式并结合SD卡读取驱动，得到相应的文件数据，每次读取多少个字节，当已经初始化完成并等待接收数据，DREQ引脚为高电平时，将读到的数据以每次32字节的速度送入到音频编解码芯片的RAM中，音频编解码芯片会自动去处理这些数据并得到模拟音频信号。
　　总结
　　上面介绍了一种基于STM32利用SPI读取SD卡里面的音频文件，在送音频编解码芯片硬解码，播放MP3音乐。但是这些设计只是做到了一个最基本的MP3播放器，主要功能有播放解码芯片支持的所有音频文件，如MP3、WMA、WAV文件，控制音量增减，通过LCD显示歌曲名字和播放状态等。现在音乐手机、PAD大行其道，他们都具备MP3播放功能，如果MP3播放器不改进，肯定是要被淘汰的。基于以上分析，MP3播放器最好设计成一个多功能的，比如是集音乐播放﹑电子图书、计算器、数码相框、照相机、FC游戏机、收音机、记事本、3D效果、手写画笔、录音机、USB连接和TOM猫等众多功能为一体的MP3播放器，实现触摸控制，良好的用户界面，让用户有更多功能可以体验。