Ｉ 一皇子蕴 …………………………一 基于 ＴＪ 的嵌入式Ｍｐ弓播放器的研宄 山东科技大学张学慧朱爱珍 【摘要】本文采用ＳＴＭ３２微控制器作为控制单元，满足高品质ＭＰ３文件播放和控制，并采用嵌入式实时操作系统的移植技术，实现多任务的执行。整个系统主要由电源 模块、音频解码模块、ＳＤ卡模块、人机交互等几个模块组成。电源采用ＵＳＢ供电；采用ＶＳＩＯ０３作为硬件音频解码芯片；ＳＤ卡存储ＭＰ３／ＷＭＡ文件；人机交互部分采用 ＬＣＤ和触摸屏实现，健系统更具人性化。 【关键词】ＳＴＭ３２；音频解码；ＳＤ卡；ＭＰ３播放器 ７— 特点，使该系列产品成为小型项目和作为 源要求的功率都不大，可以采用Ｂｌｌｌ２３。ＳＴＭ３２的使用需 ２．５和Ｂ１ＭＰ３是一种高质量音乐压缩标准，采 完整平台的理想选择［ ｌ１７—３．３稳压芯片来提供。３．３Ｖ 用ＭＰ３压缩的数据量可以缩小到１／１２，音 要一个最小系统，包括晶振电路，复位电 的电源输入如图３所示，２．２Ｖ电源输入与 质却没有多少损失。由于ＭＰ３音乐的较小 路。 之类似。 １．引言 数据量和高质量的播放效果，使它很快 成为一种集音频播放、数据存储为一身 的数码产品，并深受人们的喜爱。本文 设计的ＭＰ３是基于ＡＲＭ公司最新Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３ 内核的ＳＴＭ３２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音频文件进行解码实现ＭＰ３的播放。 系统实现的功能：播放ＶＳ１００３支持的 ＭＰ３、ＷＭＡ等音频文件，且具有歌词同步 功能；控制播放上一首／下一首，音量增 减；通过ＬＣＤ显示音量图标和播放状态 等。 ２．系统方案设计… 系统采用ＳＴＭ３２为主控制器有不可或 缺的优势，ＳＴＭ３２系列是意法半导体基于 专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌 入式应用专门设计的ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内 核。时钟频率７２ＭＨｚ，功耗３６ｍＡ，是３２位 市场上性价比最高的产品。系统主要由 控制模块、电源模块、音频解码模块、 ｓＤ卡模块、人机交互模块组成。其结构 框图如图１所示。 系统的工作流程：ＳＴＭ３２处理器读取 ｓＤ存储卡里的ＭＰ３音乐文件数据，通过 ＳＰＩ传输至音频解码芯片经过解码转换， 再送至耳机听筒。ＳＰＩ总线控制音频ＤＡＣ 芯片的参数实现音量控制等功能。使用 人机交互设备实现播放／暂停、上一曲／ 下一曲等控制功能和显示播放状态。 ３．系统的硬件设计 系统的硬件设计包含控制器及各模 块芯片的选型和相关电路的设计。 ３．１ ＳＴＭ３２控制器电路设计 ＳＴＭ３２系￣ｔ］３２位微控制器基于Ｃｏｒｔｅｘ— Ｍ３内核，旨在为 Ｕ用户提供新的开发自 由度。它具有高性能、低功耗、低电压等 特性，同时还具有高集成度和易于开发的 图１系统结构框图 ～２２一屯子世界／２０１２ ０４／ １）晶振电路的设计：晶振电路用 ３．３音频解码电路的设计 于向处理器提供工作时钟。本系统使用 由于使用了ＡＲＭ处理器，ＭＰ３的解码 无源晶振ｘｌ作为系统的主振荡器，一 方法有两种，一是通过ＡＲＭ处理器软解 个３２．７６８ｋＨｚ的晶振作为内置实时时钟 码，通过对ＭＰ３数据格式的解析实现ＭＰ３ （ＲＴＣ）振荡器 。晶体振荡器的连接如 播放。二是通过外部解码芯片解码。前 图２所示。 者对处理器运算要求高，在解码高码率 晶振的负载电容应当按照要求选 的ＭＰ３时，ＳＴＭ３２的处理能力不足，得不 取，电容不正确可能导致晶振起振缓慢 到好的解码效果，而且ＳＴＭ３２解码之后还 甚至不起振，这将影响整个系统的稳定 需要外部的ＤＡＣ来做音频输出，所以采用 性。 后者。 ２）复位电路的设计：采用简单的 ＭＰ３解码芯片选择的是由芬兰ＶＬＳＩ公 “ＲＣ＋按键”复位形式，该复位电路可 司出品的一款单芯片ＭＰ３／ＷＭＡ音频解码芯 以实现上电自动复位和手动按键复位 。 片ＶＳ１００３，其拥有一个高性能低功耗的 上电自动复位是通过外部复位电路的电 ＤＳＰ处理器核，５Ｋ的指令ＲＯＭ，０．５Ｋ的数 容充电来实现的，按键复位是通过复位 据ＲＡＭ，串行控制和数据输入接口，同时 端经电阻与电源ＶＣＣ接通而实现的。 片内带有一个可变采样速率的ＡＤＣ、一个 ３．２电源电路的设计 立体声ＤＡＣ以及音频耳机放大器接口，还 系统中硬件电路的输入电源需要５Ｖ、 可以调节音量高低。其电路设计及与主 ３．３Ｖ和２．５Ｖ。对于５Ｖ电源输入，本着设 控制器的连接如图４所示。 计简单、有效的原则采用ＵＳＢ供电，而且 ＶＳ１００３与处理器的数据通信是通过 还可以通过ＵＳＢ线直接对ｓＤ的文件进行操 ＳＰＩ总线方式进行的。ＶＳ１００３主要通过串 作，实现即插即用。 行命令接口（ＳＣＩ）和串行数据接口（ＳＤＩ） 对于３．３Ｖ和２．５Ｖ电源输入，这些电 来接收ＳＴＭ３２控制器的控制命令和ＭＰ３的 图２晶振电路 ＋５Ｖ Ｃ２００ Ｃ２０３ ０ｕＦ，１ １０４ 图３ ３ ３Ｖ电源输入 …………………………一皇 蕴 －（（（（．Ｊ 图５ ＳＤ卡连接 图４音频解码电路 开始 ； ， ＬＣＤ转接板接口 Ｊ５１ 主 ； ｉ ２ ４ ６ ８ ｉＳ＇Ｉ、Ｍａ２￣）Ｊ始化｛ ｒ １ ：１ ３ ５ ７ Ｉ各硬件模块初始化ｌ 《 【９ １０ １１ １２ １３ １４ ： ÷ Ｉ ｒ义件系统初始化ｌ ＜ 功 、 ： ● １５ ｉ６ １７ １８ １９ ２０ ２１ ２２ ２３ ２４ ２５ ２６ ２７ ２ｇ ２９ ３０ ３１ ３２ ３３ ３４ ｉ ； ： 『读ｓＤ的生引ｉ 甘啊录 １ 。 图６人机交互设备电路 、 图７程序设计流程图 数据。通过ＸＣＳ、ＸＤＣＳ引脚的置高、置低 来确认是哪一个接口处于传送状态。对 ＶＳ１００３芯片的功能控制，如初始化、暂停、音量控制的读取等，均是通过ＳＣＩ写 入到特定寄存器来实现的。 ３．４ ｓＤ卡模块 ｓＤ卡在日常生活与工作中使用非常 广泛，已经成为最为通用的数据存储 卡。在ＭＰ３、数码相机等设备上也都采用 ｓＤ卡作为存储设备。ｓＤ卡之所以得到如 此广泛的使用，是因为它价格低廉、存 储容量大、安全性强等优点。ＳＤ卡支持 两种总线方式：ＳＤ方式与ＳＰＩ方式。其中 ＳＤ方式采用６线制，而ＳＰＩ方式采用４线 制，使用单片机对ｓＤ卡进行读写时一般 都采用ＳＰＩ模式。因此设计中使用ＳＴＭ３２ 内部接口ＳＰＩ１与ＳＤ卡进行通信 ，图５是 其引脚连接情况。 ３．５人机交互设备模块 人机交互设备包括输入设备和输出 设备，对于输出设备，采用彩色液晶 屏，这里选择一款２．８寸的ＴＦＴ液晶屏 ＩＬＩ９３４１，其分辨率为３２０＊２４０，工作模 图６所示。 ４．系统软件设计 ４．１系统软件开发平台 Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３是ＡＲＭ公司推出的最新的 针对控制器应用的内核，提供业内领先 的高性能和低成本的解决方案。但目前 能够支持Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３架构的开发工具很 少，而ＭＤＫ是ＡＲＭ公司推出目前性价比 最高的支持Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３处理器的开发工 具。故本次设计的软件平台是建立在ＭＤＫ ｉｓｉｏｎ３之上的 Ｊ。 ４．２软件设计基础 １）ＦＡＴ文件系统：ＭＰ３播放器支持 ＦＡＴ文件系统，以便识别出ｓＤ卡上的音乐 文件，需要文件系统存储数据的原理， 协议，格式等。根据对文件系统的掌 握，通过跑在ＲＴＸ实时操作系统上的ＭＰ３ 驱动程序和应用程序，将存储在ＳＤ卡上 ＭＰ３数据文件读取出来，并进行正常的播 放。 ２）ＧＵＩ图形用户界面：系统中的ＭＰ３ 界面是基于ＧＵＩ图形界面，采用图形方式 显示ＭＰ３操作用户界面在视觉上更易于接 式为８位数据模式，与ＭＣＵ的通讯所需１０ 受。可以通过窗体、菜单、按键等方式 口较少，速度也较快。输入设备为了使 来方便的进行操作。 控制方便，人性化，采用触摸屏实现。 ４．３软件模块化设计 触摸屏的控制芯片选择由ＴＩ公司生产的 从整个系统来说，按其与硬件是否 １２位四线触摸屏控制芯片ＡＤＳ７８４３，因为 直接相关，可以把软件分为两大部分： 该芯片的精度是ｉ２Ｂｉｔ，有很高的分辨 （１）与硬件相关的底层驱动软件予 率，有利于屏幕控制精度的提高。ＬＣＤ与 系统，包括ＬＣＤ驱动模块、触摸屏驱动模 主控制器是ＳＰＩ接口方式。其电路设计如 块、ＳＤ卡驱动模块、ＶＳＩＯ０３驱动模块。 （２）与硬件无关的应用软件子系 统，包括ＦＡＴ文件系统管理模块和音乐播 放模块。主程序的设计流程如图７所示。 系统启动后，先初始化ＳＴＭ３２处理 器，再初始化各硬件模块，完成底层驱 动。由ＭＣＵ通过ＦＡＴ文件系统接口读取ＳＤ 卡的一些基本信息，如容量、ＦＡＴ表及根 目录所在的启始扇区等。通过获得这些 信息，就可以找出ＳＤ卡是否有我们可以 播放的音乐文件。若有音乐文件，处理 器将通过ＳＰＩ总线方式读出该文件的音频 信息，并将歌曲的数据流信息送入到解 码芯片中，通过ＶＳ１００３芯片解码以及其 内含的高质量的立体ＤＡＣ和耳机驱动电 路，实现ＭＰ３歌曲的播放。在触摸屏的控 制下，通过ＬＥＤ中菜单选项实现歌曲选择 和音量控制。 ５．总结 本文提出了一种基于ＳＴＭ３２的嵌入式 ＭＰ３播放器的设计方案，硬件上重点介 绍了各模块的电路设计，软件上介绍了 需要的嵌入式知识和主程序的流程。该 方案对于需要嵌入式媒体播放器的工业 控制、车载播放器等行业具有一定的研 究价值。方案设计中涉及到很多内容， 包括芯片的选型与设计，实时操作系统 移植，ＦＡＴ文件管理系统，ＧＵＩ图形用户 界面，对嵌入式的设计具有一定的参考 性。整个系统设计简洁，可靠性高，具 有很高的性价比。 ／２０１２．０４电子世再 一２３— Ｉ＿））》一皇子蕴 …………………………一 ＡＶＲ萆 机的Ｖ—ｕｓＢ和串 遇铭方式比艘 ９３７０７王志海 【摘要】ＡＶＲ单片机与计算机的数据传输方式通常使用串口通信，随着ｕｓＢ接口的快速普及，直接提供串口的ｐｃ机主板和应用串ｇ：／进行数据传输的外围设备也越来越 少。选择一个简单、快速、适用的通信方式对于单片机系统的设计开发就尤为关键。本文对ＡｖＲ单片机使用的串口通信方式和ｖ—ｕｓＢ通信方式的开发实现过程进行比 较，分析了两种通讯方式的特点和应用场合，方便Ｉ－程人员参考选择数据通信实现方案。 【关键词】ＵＳＢ接口；Ｖ—ＵＳＢ；串口通信；ＡＶＲ单片机 １．引言 串口通信是单片机与上位机最常用 的数据通信方式，随着ＵＳＢ接口的普及， 单片机与计算机之间越来越多的使用ＵＳＢ 接口进行数据传输，但是直接选用ＵＳＢ接 口控制芯片会增加开发成本与难度。为 单片机设备选择一个简单、快速、适用 的通信方式，不但可以降低开发成本和 技术难度，也可以最大程度的提高单片 机系统的运行效率。本文对ＡＶＲ单片机使 用串口通信和Ｖ—ＵＳＢ方案的开发实现过程 进行比较，分析了两种通讯方式的特点 和应用场合。 １．１ Ｖ－ＵＳＢ简介 Ｖ～ｕＳＢ的全称是Ｖｉｒｔｕａ１ ＵＳＢ ｆｏｒ ＡＶＲ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏ］ｌｅｒｓ，是一个开源项 目。它利用纯软件的实现方式在ＡＴＭＥＧＡ 公司的ＡＶＲ系列单片机上虚拟出ＵＳＢ口， 将其模拟为低速ＵＳＢ设备，实现方案不需 要添加其他的ＵＳＢ接口芯片。通常单片机 与上位机进行ＵＳＢ通信，需要用专用的 苎＝ 片进行ＵＳＢ协议的转换，例如ＣＰ２ｌ０１、 ＰＬ２３０３、ＳＬ８ｌ １、ＰＤＩＵＳＢＤ１２等。其中 表。 ＣＰ２ｌ０ｌ、ＰＬ２３０３芯片使用起来虽然简 ３．上位机程序编制 单，倜是功能单一，只能做ＵＳＢ转串口的 ３．１ Ｖ－ＵＳＢ上位机程序编写 通讯设备；而ＰＤＩＵＳＢＤ１２、ＳＬ８１１芯片功 Ｖ－ＵＳＢ项目存计算机端使 跨平台 能较强，但是设计使用复杂，这些ＵＳＢ芯 字节的程序空间。 的开源项日Ｌｉ ｂＵＳＢ来访问ｕｓＢ设符。 片的价格都相对较高，增加了系统的硬 由于Ｖ—ＵＳＢ使用单片卡ＪＬＩＯ口模拟ＵＳＢ ＬｉｂＵＳＢ—Ｗｉｎ３２是ＬｉｂＵＳＢ在ＷｉｎｄｏｗＳ操作 件成本。而Ｖ～ＵＳＢ简 易用，成本较低， 通信，是用纯软件的方式实现了硬件芯 系统（Ｗｉｎ２ｋ，ＷｉｎＸＰ，Ｖｉ Ｓｔａ，Ｗｉｎ７） 绝人多数的ＡＶＲ系列单片机加上很少的几 片的功能。而ＵｓＢ通信的速率要求是比 上的通用ＵＳＢ设备驱动程序及开发包。 个外部元件，就可以组成…‘个ＵＳＢ系统。 表１两种通信接口特征对比 Ｉ．２串口通信简介 特征 串口通信 Ｖ—ＵＳＢ 串口通信基于ＲＳ一２３２一Ｃ串行总线接 计算机接口 ＲＳ２３２ ＵＳＢ 口标准，最初是为了连接计算机主机与 接口特点 兼容性好 即插即用、主机供电、应用广泛 ＣＲＴ终端之间的通信，后来逐渐广泛地应 可靠传输距离 远（１５米） 近（２米） 用于各种设备之间的数据交换。早期的 对单片机要求 具备ＵＳＡＲＴ单元 ＡＶＲ系列，２ｋＢ Ｆｌａｓｈ，１２８Ｂ ＲＡＭ 计算机主机都带有ＲＳ一２３２接口，是最常 系统时钟要求（单位蛐ｚ） 各种时钟频率均可 １２、１２．８、１５、１６、ｌ６．５、１８、２Ｏ 用的数据接口，具有传输距离远、连接 外围硬件实现 需ＴＴＬ电平转换 仅需很少的简单元件 方式简单．、线路占用少、开发资料多等 Ｌ位机程序 支持多种开发语言 跨平台、支持多种开发语言 优点。绝大多数的单片机都内置ＵＳＡＲＴ单 编程难度 简单 简单 元用＿丁串行通信。 开发工具 多 多 ２．下位机实现方法 下位机程序 理解ＵＳＡＲＴ的原理 利用固有框架、占用１１５０ １４００字节 ２．１ Ｖ－ＵＳＢ下位机实现 理论传输速度 ２４００ｂｐｓ—ｌ １５．２ｋｂｐｓ ２０ｋｂｐｓ 一Ｖ－ＵＳＢ系统的硬件结构很简单，需要 个ＡＶＲ单片机（片上具有２ＫＢ Ｆｌａｓｈ， ｌ２８字节ＲＡＭ的大部分型号都可以），再 加上少量的外部元件（晶振、电阻、 稳压二极管等），就组成了一个基本 的Ｖ－ＵＳＢ系统，实现方案需占用 片机 的两个数据引脚（其中Ｄ＋必须连接至 ＩＮＴＯ），并不占用其他的ＵＡＲＴ、计时器 等硬件资源。系统组成如图１。 图中的Ｄ１＊ＩＤ２是３．６Ｖ稳压二极管， 目的是ＵＳＢ数据线上的电平。ＵＳＢ通 信规范中规定，数据线Ｄ＋、Ｄ一上的电平 范围在３．ＯＶ至３．６Ｖ之间，而ＡＶＲ单片机 的输出电平是ＶＣＣ。如果单片机的ＶＣＣ是 ５Ｖ，如没有Ｄ１、Ｄ２的情况下将导致电平 不匹配，会出现在计算机中无法正确识 别出ＵＳＢ设备的情况。单片机所需的电源 ＶＣＣ可由ＵＳＢ的５Ｖ输出电源直接提供，电 阻Ｒ１和Ｒ２起到了限流和保护的作用，避 免意外情况下损坏计算机的ＵＳＢ端口或单 片机的端口。 Ｖ－ＵＳＢ的软件源代码是由ｃ代码和汇 编代码组成的，开发环境为ＡＶＲ ＧＣＣ，已 组织好几种不同ＵＳＢ设备的框架，开发者 只需直接利用即可。最小化的Ｖ—ＵＳＢ程序 框架编译后需要占用单片机ｌｌ５Ｏ至１４００ 较高的。因此在进行ＵＳＢ通信时单片机 的ＣＰＵ占用率比较高的。为保证可靠的 ＵＳＢ数据传输，单片机ＣＰＵ时钟必须是工 作在１２ＭＨｚ、ｌ２．８ＭＨｚ、ｌ５ＭＨｚ、ｌ６ＭＨｚ、 １６．５Ｍ｝｛ｚ、１８ＭＨｚ、２０￣Ⅱ｛ｚ这几个频率。 ２．２串口通信下位机实现 具备ＵＳＡＲＴ单元的ＡＶＲ单片机都可以 使用串行通信方式，硬件实现仅使用单 片机的ＲＸＤ和ＴＸＤ引脚。为和计算机的Ｒｓ一 ２３２接口连接，一般使用ＭＡｘ２３２芯片进行 电平转换，这需要增加部分外围电路， ＭＡＸ２３２应用电路如图２： 若要提高用串口通讯硬件的易用 性，还可以选择成品的ＵＳＢ转ＴＴＬ接口芯 片，可以方便的将使用串口通信的单片 机设备变为ＵＳＢ设备，并且不影响｝ 位机 和下位机的程序编制。 为减小波特率偏差，ＵＳＡＲＴ对单片机 的使用的晶振频率和串口设置的通讯速 率有一些要求，不匹配的波特率和品振 频率会使传输出现通讯错误。具体叮查 各型单片机的数据手册中的波特率设置 参考文献 ［１］程磊，基于ＳＴＭ３２的ＭＰ３播放器的设计Ｕ】技术创 新，２０１１（１ ２） 【２】王永虹，徐炜，郝立平等ｓＴＭ３２系列ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３ 微控制器原理与实践［Ｍ］北京航空航天大学出版 社．２００８ ［３ｂ＇２力，蔡骏等单片机原理与应用技术【ＭＪ．清华大学出 版社，２００６． ［４】潘浩嵌入式ＭＰ３播放系统研究［Ｄｌ＿北方工业大 学，２００８． ［５１李宁基于ＭＤＫ的ＳＴＭ３２处理器开发应用【Ｍｌ北京航 空航天大学出版社，２００８ 作者简介： 张学慧，男，山东青岛人，山东科技大学在读硕士研 究生，研究方向：计算机控制及仿真。 朱爱珍，女，山东青岛人，山东科技大学在读硕士研 究生，研究方向：电力系统自动化。 ２４一屯子世界／２０１２．０４１
