基于嵌入式系統(tǒng)的多媒體音樂播放器

摘要：為了改善音樂播放器傳統(tǒng)界面，擴(kuò)充功能，提高音質(zhì)，基于ARM7嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)和FAT 32文件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款帶有文本閱覽功能的多媒體音樂播放器。它不僅能正確識(shí)別并顯示存儲(chǔ)在SD，MMC等存儲(chǔ)卡內(nèi)的音頻文件，支持環(huán)繞立體聲調(diào)節(jié)和重低音調(diào)節(jié)，還可通過液晶屏瀏覽存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡內(nèi)的中、英文TXT文檔。該播放器選用具有出色音頻解碼能力的VS1053解碼芯片，它支持320 Kb／s的MP3或256 Kb／s的WMA音樂文件的播放。該播放器通過視聽驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了4種以上不同的音效，滿足使用者對(duì)音效的不同喜好。實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞立體聲調(diào)節(jié)和真正的立體聲雙聲道音頻輸出。同時(shí)在操作上簡單便捷，具有友好的人機(jī)界面。
關(guān)鍵詞：ARM7；SD卡；多媒體播放器；VS1053

0 引言
    嵌入式系統(tǒng)具有處理速度快、低功耗、體積小、功能強(qiáng)大且易于移植等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。MP3(Moving Picture Experts Group Audio LayerⅢ)全稱是動(dòng)態(tài)影像專家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面3。它設(shè)計(jì)用來大幅度地壓縮音頻數(shù)據(jù)量，并實(shí)現(xiàn)重放的音質(zhì)與原來不經(jīng)壓縮的音頻相比沒有明顯的下降。鑒于MP3編碼方式的特點(diǎn)，將其作為音樂播放器的音頻文件時(shí)，可以在有限的存儲(chǔ)空間內(nèi)存放更多的音頻信息?，F(xiàn)在的數(shù)字音樂播放器市場，采用ARM主控+DSP音頻解碼芯片+SD存儲(chǔ)卡所構(gòu)成的數(shù)字音樂播放系統(tǒng)具有強(qiáng)大的播放能力和較好的性價(jià)比，在中、高端音頻解碼領(lǐng)域內(nèi)有著較強(qiáng)的生命力。本文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的MP3播放器。

1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)主要由主控制器LPC2138、音頻解碼芯片VS1053、存儲(chǔ)設(shè)備SD卡、顯示設(shè)備OCM12864、輸入設(shè)備鍵盤和系統(tǒng)供電電源組成。其中各部分電路均采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之伺通過杜邦線進(jìn)行連接。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)
2．1 主控系統(tǒng)LPC2138
    LPC2138是支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有64 KB RAM和512 KB的高速FLASH存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最高時(shí)鐘速率下運(yùn)行。ARM7體系為32位構(gòu)架，它在處理數(shù)據(jù)時(shí)相對(duì)于8位單片機(jī)效率明顯提高，在處理文件系統(tǒng)所需要的大量的長整形數(shù)據(jù)的乘除運(yùn)算時(shí)這種優(yōu)勢更為明顯。同時(shí)它的硬件SPI，SSP總線控制器可以使控制器方便的與外部擴(kuò)展設(shè)備進(jìn)行連接。而且它的性價(jià)比較高，很適合用來做數(shù)字音樂播放系統(tǒng)的主控制器。
2．2 音頻解碼器VS1053
    VS1053是VLSI Solution Oy公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的以VS_DSP為內(nèi)核的一款音頻解碼芯片，可輕松解碼MP1，MP2，MP3，WMA，IMA ADPCM，General Midi 1，Ogg Vorbis，LC-AAC和HE-AAC等音頻格式的文件，片內(nèi)還集成有16 KB RAM。該芯片具有高信噪比DAC，功耗更低，并具有環(huán)繞立體聲調(diào)節(jié)和高低頻渲染等功能。采用VS1053芯片可以在不提高CPU主頻的情況下實(shí)現(xiàn)320 Kb／s的MP3文件或256 Kb／s的WMA文件的音頻解碼工作，并且音質(zhì)上有了明顯的提高，信噪比可達(dá)90 dB以上，滿足系統(tǒng)85 dB的要求。
2．3 I／O口分配
    LPC2138主控制器直接采用了廣州周立功公司的EasyARM開發(fā)板，減短了開發(fā)時(shí)間并有效保證了電路部分的穩(wěn)定性。系統(tǒng)晶振采用11.059 2MHz的外部晶振，通過內(nèi)置的PLL倍頻電路，可以將主頻升高到44．236 8 MHz，滿足系統(tǒng)要求。I／O資源分配如表1所示。

    LPC2138具有2個(gè)獨(dú)立的SPI總線控制器(其中一個(gè)由SSP配置得到)，SD卡均可通過SPI總線和處理器通信。將SPI接口分配給SD卡。
    對(duì)于液晶屏，通過I／O口模擬其串行通信時(shí)序，因此只需分配兩個(gè)I／O(數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線)即可。
    對(duì)于鍵盤部分，考慮到使用者操作的便捷性，共設(shè)計(jì)了5個(gè)按鍵。由于LPC2138的I／O資源非常豐富且該音樂播放器使用按鍵數(shù)量較少，故不采用矩陣譯碼鍵盤而直接使用了5個(gè)通用I／O口。這樣簡化了硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。[!--empirenews.page--]
2．4 SD卡存儲(chǔ)器模塊
    SD卡的通信線在總線空閑狀態(tài)下應(yīng)保持高電平，因此總線上接有50 kΩ的上拉電阻。SD卡在上電初期，卡主控通過檢測引腳1(DAT3)的電平來決定工作在SD模式還是SPI模式。當(dāng)此腳高電平時(shí)，SD卡進(jìn)入SD模式；當(dāng)此腳為低電平時(shí)，SD卡則工作于SPI模式2?？ú鄄捎昧朔菑棾鍪降目ㄗ梢杂行У乇ＷCSD卡通信的穩(wěn)定性和可靠性。采用杜邦線將SD卡的SPI總線接口和LPC2138的SSP總線接口對(duì)接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。
2．5 OCM12864液晶顯示
    OCM12864液晶屏可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。它提供3種控制接口，分別是8位微處理器接口，4位微處理器接口和串行接口。在該系統(tǒng)中由于未涉及圖形顯示，且對(duì)顯示的速度要求不是很高，因此采用串行接口實(shí)現(xiàn)與處理器的通信。OCM12864通過SCLK線和R／W線實(shí)現(xiàn)和處理器的串行通信。根據(jù)表1，將SCLK和R／W線與單片機(jī)分配的對(duì)應(yīng)I／O用杜邦線連接起來即可。
2．6 MP3聲音輸出的功放單元采用UTC2822D
    UTD2822D輸入電壓在1．8～15 V之間，在正常發(fā)熱狀態(tài)下工作電流約為1．4 A，可以使用在該設(shè)計(jì)當(dāng)中。功放電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

2．7 輸入設(shè)備
    鍵盤輸入采用了普通按鍵直接接處理器I／O口的方式。這種方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，而且由于按鍵較少，不會(huì)占用過多的I／O資源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    總體軟件設(shè)計(jì)即系統(tǒng)運(yùn)行過程中的主邏輯，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，程序流程圖如圖3，系統(tǒng)初始化完成以后，在音樂模式下，即可通過按鍵選擇音樂目錄中的音樂，解碼WMA，MP3等格式的音頻文件，并播放。
3．1 SD卡模塊程序設(shè)計(jì)
    對(duì)SD卡的初始化后，才可以對(duì)SD卡進(jìn)行讀／寫操作。SD卡的初始化過程為先發(fā)送74個(gè)CLK以使SD卡達(dá)到正常工作電壓并實(shí)現(xiàn)同步，然后CS_LOW；接著發(fā)送CMD0，若通信成功則應(yīng)收到0x01的應(yīng)答信號(hào)；接著再發(fā)送CMD1，收到的應(yīng)答應(yīng)該是0x00；最后CS_HIGH。至此，初始化完成。在初始化完成后，通過CMD16設(shè)置數(shù)據(jù)Block長度，然后可以通過CMD17進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，流程圖如圖4所示。[!--empirenews.page--]

3．2 VS1053程序設(shè)計(jì)
    VS1053采用SPI總線與處理器實(shí)現(xiàn)通信，因此基本的通信規(guī)則遵循SPI總線協(xié)議。VS1053數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。對(duì)VS1053的操作主要包括復(fù)位和音頻數(shù)據(jù)傳送兩個(gè)方面。對(duì)于音量設(shè)定，環(huán)繞立體聲設(shè)定、高低頻設(shè)定等，只需發(fā)送指令到特定的寄存器即可。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)1次發(fā)送32 B到VS1053的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在數(shù)據(jù)處理過程中DREQ為低，此時(shí)不允許繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空時(shí)DREQ會(huì)變?yōu)楦唠娖?，可接著發(fā)送下32 B的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)完全送完為止。復(fù)位流程和發(fā)送數(shù)組流程如圖6、圖7所示。

4 結(jié)語
    基于ARM7平臺(tái)和FAT 32文件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該種帶有文本閱覽功能的音樂播放器。它可以正確識(shí)別并播放存儲(chǔ)在SD，MMC等存儲(chǔ)卡內(nèi)的MP3和WMA文件，支持環(huán)繞立體聲調(diào)節(jié)和重低音調(diào)節(jié)；使用者還可以通過液晶屏瀏覽存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡內(nèi)的TXT文檔，并支持中英文兩種語言，由于得益于ARM7高達(dá)60 MHz的主頻和VS1053出色的音頻解碼能力。該系統(tǒng)還支持碼率高達(dá)320 Kb／s的MP3文件，信噪比達(dá)到了85 dB以上。同時(shí)該播放器還具有良好的人機(jī)交互界面，可以給使用者更好的使用體驗(yàn)。