摘要：為了改善音樂播放器傳統(tǒng)界面，擴充功能，提高音質(zhì)，基于ARM7嵌入式系統(tǒng)平臺和FAT 32文件系統(tǒng)，設計了一款帶有文本閱覽功能的多媒體音樂播放器。它不僅能正確識別并顯示存儲在SD，MMC等存儲卡內(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在存儲卡內(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證，實現(xiàn)了4種以上不同的音效，滿足使用者對音效的不同喜好。實現(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。同時在操作上簡單便捷，具有友好的人機界面。
關鍵詞：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、功能強大且易于移植等優(yōu)點而得到廣泛的應用。MP3(Moving Picture Experts Group Audio LayerⅢ)全稱是動態(tài)影像專家壓縮標準音頻層面3。它設計用來大幅度地壓縮音頻數(shù)據(jù)量，并實現(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，將其作為音樂播放器的音頻文件時，可以在有限的存儲空間內(nèi)存放更多的音頻信息。現(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存儲卡所構(gòu)成的數(shù)字音樂播放系統(tǒng)具有強大的播放能力和較好的性價比，在中、高端音頻解碼領域內(nèi)有著較強的生命力。本文針對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)特點，設計了基于嵌入式系統(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、存儲設備SD卡、顯示設備OCM12864、輸入設備鍵盤和系統(tǒng)供電電源組成。其中各部分電路均采用模塊化設計，各模塊之伺通過杜邦線進行連接。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是支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有64 KB RAM和512 KB的高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最高時鐘速率下運行。ARM7體系為32位構(gòu)架，它在處理數(shù)據(jù)時相對于8位單片機效率明顯提高，在處理文件系統(tǒng)所需要的大量的長整形數(shù)據(jù)的乘除運算時這種優(yōu)勢更為明顯。同時它的硬件SPI，SSP總線控制器可以使控制器方便的與外部擴展設備進行連接。而且它的性價比較高，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個獨立的SPI總線控制器(其中一個由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。
對于液晶屏，通過I／O口模擬其串行通信時序，因此只需分配兩個I／O(數(shù)據(jù)線和時鐘線)即可。
對于鍵盤部分，考慮到使用者操作的便捷性，共設計了5個按鍵。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個通用I／O口。這樣簡化了硬件設計和程序設計。
2．4 SD卡存儲器模塊
SD卡的通信線在總線空閑狀態(tài)下應保持高電平，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。當此腳高電平時，SD卡進入SD模式；當此腳為低電平時，SD卡則工作于SPI模式2。卡槽采用了非彈出式的卡座，可以有效地保證SD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總線接口對接起來，實現(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、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，且對顯示的速度要求不是很高，因此采用串行接口實現(xiàn)與處理器的通信。OCM12864通過SCLK線和R／W線實現(xiàn)和處理器的串行通信。根據(jù)表1，將SCLK和R／W線與單片機分配的對應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，可以使用在該設計當中。功放電路的設計原理圖如圖2所示。
2．7 輸入設備
鍵盤輸入采用了普通按鍵直接接處理器I／O口的方式。這種方式實現(xiàn)起來比較簡單，而且由于按鍵較少，不會占用過多的I／O資源。
3 系統(tǒng)軟件設計
總體軟件設計即系統(tǒng)運行過程中的主邏輯，負責整個系統(tǒng)運行過程中各個狀態(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卡模塊程序設計
對SD卡的初始化后，才可以對SD卡進行讀／寫操作。SD卡的初始化過程為先發(fā)送74個CLK以使SD卡達到正常工作電壓并實現(xiàn)同步，然后CS_LOW；接著發(fā)送CMD0，若通信成功則應收到0x01的應答信號；接著再發(fā)送CMD1，收到的應答應該是0x00；最后CS_HIGH。至此，初始化完成。在初始化完成后，通過CMD16設置數(shù)據(jù)Block長度，然后可以通過CMD17進行數(shù)據(jù)的讀取，流程圖如圖4所示。
3．2 VS1053程序設計
VS1053采用SPI總線與處理器實現(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VS1053的操作主要包括復位和音頻數(shù)據(jù)傳送兩個方面。對于音量設定，環(huán)繞立體聲設定、高低頻設定等，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，此時不允許繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空時DREQ會變?yōu)楦唠娖剑山又l(fā)送下32 B的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)完全送完為止。復位流程和發(fā)送數(shù)組流程如圖6、圖7所示。
4 結(jié)語
基于ARM7平臺和FAT 32文件系統(tǒng)，設計了該種帶有文本閱覽功能的音樂播放器。它可以正確識別并播放存儲在SD，MMC等存儲卡內(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在存儲卡內(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320 Kb／s的MP3文件，信噪比達到了85 dB以上。同時該播放器還具有良好的人機交互界面，可以給使用者更好的使用體驗。