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      1. 專注電子技術學習與研究
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        單片機實現MP3播放的方法

        作者:周華   來源:本站原創   點擊數:  更新時間:2014年03月27日   【字體:

            有一個東西你一定聽說過或用過,那就MP3播放器。MP3播放器以其小巧的體積、強大的功能、優異的音質倍受人們的青睞。如果把它嵌入到我們的單片機系統中,實現音頻輸出,那么對系統的增色是不言而喻的。單獨拿單片機來說,要解碼MP3文件,是不可能的,因為從處理速度和資源各個方面都是不能滿足要求的。所以要依賴于專用MP3解碼芯片,而單片機要作的就是對其進行控制。這里我們圍繞芬蘭VLSI公司出品的VS1003來進行解MP3的實現方法。

            1、VS1003芯片

               1)芯片簡介

                  VS1003是由荷蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA/MIDI音頻解碼和ADPCM編碼芯片,其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP,5K的指令RAM,0.5K的數據RAM,串行的控制和數據輸入接口, 4個通用IO口,一個UART口;同時片內帶有一個可變采樣率的ADC、一個立體聲DAC以及音頻耳機放大器。

                  VS1003通過一個串行接口來接收輸入的比特流,它可以作為一個系統的從機。輸入的比特流被解碼,然后通過一個數字竟是控制器到達一個18位過采樣多位 ε-ΔDAC。通過串行總線控制解碼器。除了基本的解碼,在用戶RAM中它還可以做其他特殊應用,例如DSP音效處理。

               2)芯片實物與SiriuS板上的VS1003

                           

               3)芯片封裝

                               

                   以下的講述都是針對于LQFP-48封裝的。

               4)VS1003特性

                  1.能解碼MPEG1 與MPEG2音頻層III(CBR+VBR+ABR);WMA 4.0/4.1/7/8/9 5~384kbps所有流文件;WAV(PCM+IMA AD-PCM);產生MIDI/SP-MIDI文件。

                  2.對話筒輸入或線路輸入的音頻信號進行IMA ADPCMM編碼

                  3.支持MP3和WAVV流

                  4.高低音控制

                  5.單時鐘12~13MHz

                  6.內部PLLL鎖相環時鐘倍頻器

                  7.低功耗

                  8.內含高性能片上立體聲數模轉換器,兩聲道間無相位差

                  9.內含能驅動30歐負載的耳機驅動器

                 10.模擬,數字,I/O單獨供電

                 11.為用戶代碼和數據準備的5.5KB片上RAM

                 12.串行的控制/數據接口

                 13.可被用作微處理器的從機

                 14.特殊應用的SPI Flash引導

                 15.借高度用途的UART接口

                 16.新功能可以通過軟件和4 GPIO添加

               5)VS1003的引腳定義

         

        管腳名稱

         

        LQFP-48

         

        管腳類型

         

        管腳功能

         

        MICP

         

        1

         

        AI

         

        同相差分話筒輸入,自偏壓

         

        MICN

         

        2

         

        AI

         

        反相差分話筒輸入,自偏壓

         

        XRESET

         

        3

         

        DI

         

        低電平有效,異步復位端

         

        DGND0

         

        4

         

        DGND

         

        處理器核與I/O地

         

        CVDD0

         

        5

         

        CPWR

         

        處理器核電源

         

        IOVDD0

         

        6

         

        IOPWR

         

        I/O電源

         

        CVDD1

         

        7

         

        CPEW

         

        處理器核電源

         

        DREQ

         

        8

         

        DO

         

        數據請求,輸入總線

         

        GPIO/DCLK

         

        9

         

        DIO

         

        通用I/O2 /串行數據總線時鐘

         

        GPIO3/SDATA

         

        10

         

        DIO

         

        通用I/O3 /串行數據總線數據

         

        XDCS/BSYNC

         

        13

         

        DI

         

        數據片選端/字節同步

         

        IOVDD1

         

        14

         

        IOPWR

         

        I/O 電源

         

        VCO

         

        15

         

        DO

         

        時鐘壓控振蕩器VCO 輸出

         

        DGND1

         

        16

         

        DGND

         

        處理器核與I/O 的地

         

        XTALO

         

        17

         

        AO

         

        晶振輸出

         

        XTALI

         

        18

         

        AI

         

        晶振輸入

         

        IOVDD2

         

        19

         

        IOPWR

         

        I/O 電源

         

        DGND2

         

        20

         

        DGND

         

        處理器核與I/O 地

         

        DGND3

         

        21

         

        DGND

         

        處理器核與I/O 地

         

        DGND4

         

        22

         

        DGND

         

        處理器核與I/O 地

         

        XCS

         

        23

         

        DI

         

        片選輸入,低電平有效

         

        CVDD2

         

        24

         

        CPWR

         

        處理器核電源

         

        RX

         

        26

         

        DI

         

        UART接收口,不用時接IOVDD

         

        TX

         

        27

         

        DO

         

        UART發送口

         

        SCLK

         

        28

         

        DI

         

        串行總線的時鐘

         

        SI

         

        29

         

        DI

         

        串行輸入

         

        SO

         

        30

         

        DO3

         

        串行輸出

         

        CVDD3

         

        31

         

        CPWR

         

        處理器核電源

         

        TEST

         

        32

         

        DI

         

        保留做測試,連接至IOVDD

         

        GPIO0/SPIBOOT

         

        33

         

        DIO

         

        通用I/O0 /SPIBOOT,使用100K 下拉電阻

         

        GPIO1

         

        34

         

        DIO

         

        通用I/O1

         

        AGND0

         

        37

         

        APWR

         

        模擬地,低噪聲參考地

         

        AVDD0

         

        38

         

        APWR

         

        模擬電源

         

        RIGHT

         

        39

         

        AO

         

        右聲道輸出

         

        AGND1

         

        40

         

        APWR

         

        模擬地

         

        AGND2

         

        41

         

        APWR

         

        模擬地

         

        GBUF

         

        42

         

        AO

         

        公共地緩沖器

         

        AVDD1

         

        43

         

        APWR

         

        模擬電源

         

        RCAP

         

        44

         

        AIO

         

        基準濾波電容

         

        AVDD2

         

        45

         

        APWR

         

        模擬電源

         

        LEFT

         

        46

         

        AO

         

        左聲道輸出

         

        AGND3

         

        47

         

        APWR

         

        模擬地

         

        LINE IN

         

        48

         

        AI

         

        線路輸入

         

            6)VS1003的功能寄存器

                   VS1003共有16個16位的寄存器,地址分別為0X0~0XF;除了模式寄存器(MODE,0X0)和狀態寄存器(STATUS,0X1)在復位后的初始值分別為0X800和OX3C外,其余的寄存器在VS1003初始化后的值均為0。下面將VS1003各寄存器逐一進行介紹。

              1.MODE(地址:0X0 可讀寫)

                bit0:SM_DIFF

                    SM_DIFF=0  正常音頻相位

                    SM_DIFF=1  左聲道反轉

                    當SM_DIFF置位時,VS1003將左聲道反相輸出,立體聲輸入將產生環繞效果,對于單聲道輸入將產生差分(反相)左/右聲道信號。

                bit1:SM_SETTOZERO

                    置零。

                bit2:SM_RESET

                    SM_RESET=1,VS1003軟復位。軟復位之后該位會自動清零。

                bit3:SM_OUTOFWAV

                    SM_OUTOFWAV=1,停止WAV解碼。

                    當你要中途停止WAV、WMA或者MIDI文件的解碼時,置位SM_OUTOFWAV,并向VS1003持續發送數據(對于WAV文件發送0)直到將SM_OUTOFWAV清零;同時SCI_HIDAT1也將被清零。

                bit4:SM_PDOWN

                    SM_PDOWN=1,軟件省電模式,該模式不及硬件省電模式(可由VS1003的XRESET來激活)。

                bit5:SM_TESTS

                    SM_TESTS=1,進入SDI測試模式。

                bit6:SM_STREAM

                    SM_STREAM=1,使能VS1003的流模式。

                bit7:SM_PLUSV

                    SM_PLUSV=1,MP3+V解碼使能。

                bit8:SM_DACT

                    SM_DACT=0,SCLK上升沿有效;SM_DACT=1,SCLK下降沿有效。

                bit9:SM_SDIORD

                    SM_SDIORD=0,SDI總線字節數據MSB在前,即須先發送MSB;

                    SM_SDIORD=1,SDI總線字節數據LSB在前,即須先發送LSB;

                    該位的設置不會影響SCI總線。

                bit10:SM_SDISHARE

                    SM_SDISHARE=1,SDI與SCI將共用一個片選信號(同時SM_SDINEW=1),即將XDCS與XCS這兩根信號線合為一條,能省去一個IO口。

                bit11:SM_SDINEW

                    SM_SDINEW=1,VS1002本地模式(新模式)。VS1003在啟動后默認進入該模式。(這里所說的模式指的是總線模式。)

                bit12:SM_ADPCM

                    SM_ADPCM=1,ADPCM錄音使能。

                    同時置位SM_ADPCM和SM_RESET將使能VS1003的IMA ADPCM錄音功能。

                bit13:SM_ADPCM_HP

                    SM_ADPCOM_HP=1,使能ADPCM高通濾波器。同時置位SM_ADPCM_HP、SM_ADPCM和SM_RESET將開啟ADPCM錄音用高通濾波器,對錄音時的背景噪音有一定的抑制作用。

                bit14:SM_LINE_IN

                    錄音輸入選擇,SMLINE_IN=1,選擇線入(line in);SM_LINE_IN=0,選擇麥克風輸入(默認)。

              2.SCI_STATUS(地址:0X1 可讀寫)

                SCI_STATUS為VS1003的狀態寄存器,提供VS1003當前狀態信息。

              3.SCI_BASS(地址:0X2 可讀寫)

        重音/高音設置寄存器。

                    VS1003的內置的重音增強器VSBE是種高質量的重音增強DSP算法,能夠最大限度的避免音頻削波。當SB_AMPLITUDE(bit:7~4)不為零時,重音增強器將使能?梢愿鶕䝼人需要來設置SB_AMPLITUDE。例如,SCI_BASS=0x00f6,即對60Hz以下的音頻信號進行 15dB的增強。當ST_AMPLITUDE(bit:15~12)不為零時,高音增強將使能。例如,SCI_BASS=0x7a00,即10kHz以上的音頻信號進行10.5dB的增強。

              4.SCI_CLOCKF(地址:0X3 可讀寫)

                bit15~bit13:SC_MULT

                    時鐘輸入XTALI的倍頻設置,設置之后將啟動VS1003內置的倍頻器。

                bit12~bit11:SC_ADD

                    用于在WMA流解碼時給倍頻器增加的額外的倍頻值。

                bit10~bit0:SC_FREQ

                    當XTALI輸入的時鐘不是12.288M時才需要設置該位段,其默認值為0,即VS1003默認使用的是12.228M的輸入時鐘。

              5.SCI_DECODE_TIME(地址:0X4 可讀寫)

                解碼時間寄存器。當進行正確的解碼時,讀取該寄存器可以獲得當前的解碼時長(單位為秒)?梢愿脑摷拇嫫鞯闹,但是新值須要對該寄存器進行兩次寫操作。在每次軟件復位或是WAV(PCM、IMA ADPCM、WMA、MIDI)解碼開始與結束時SCI_DECODE_TIME的值將清零。

              6.SCI_AUDATA(地址:0X5 可讀寫)

                當進行正確的解碼時,該寄存器的值為當前的采樣率(bit:15~bit1)和所使用的聲道(bit0)。采樣率須為2的倍數;bit0=0,單聲道數據,bit0=1,立體聲數據。寫該寄存器半直接改變采樣率。

              7.SCI_WRAM(地址:0X6 可讀寫)

                讀寄存器用來加載用戶應用程序和數據到VS1003的指令的數據RAM中。起始地址在SCI_WRAMADDR中進行設置,且必須先于讀寫 SCI_WRAM。對于16位的數據可以在進行一次SCI_WRAM的讀寫中完成;而對32位的指令字來說則需要兩次連續讀寫。字節順序是大端模式,即高字節在前,低字節在后。在每一次完成全字讀寫后,內部指針將自動增加。

              8. SCI_WRAMADDR(地址:0X7 可讀寫)

                用于設置RAM讀寫的首地址。

              9.SPI_HDAT0gng SPI_HDAT1(地址:0X8 只讀)

                這兩個寄存器用來存放所解碼的音頻文件的相關信息,為只讀寄存器。

                    當為WAV文件時,SPI_HDAT0=0X7761,SPI_HDAT1=0X7665;

                    當為WMA文件時,SPI_HDAT0的值為解碼速率(字節/秒),要轉換為位率的話則將SPI_HDAT0的值乘8即可,SPI_HDAT1=0X574D;

                    當為MIDI文件時,SPI_HDAT0的值可以參考VLSI的技術文檔第33頁,SPI_HDAT1=0X4D54;

                    當為MP3文件時,SPI_HDAT0和SPI_HDAT1包含較為復雜的信息(來自于解壓之后的MP3文件頭),包括當前正在    解碼的MP3文件的采樣率、位率等,具體請參考數據手冊的第33頁到第34頁。復位后SPI_HDAT0和SPI_HDAT1將清零。

         

             10.SCI_AIADDR(地址:0XA 可讀寫)

                用戶應用程序的起始地址,初始化先于SCI_WRAMADDR和SCI_WRAM。如果沒有使用任何用戶應用程序,則該寄存器不應進行初始化,或是將其初始化為零。

             11.SCI_VOL(地址:0XB 可讀寫)

                音量控制寄存器。高八位用于設置左聲道,低八位用于設置右聲道。設置值為最大竟是的衰減倍數,步進值為0.5dB,范圍為0到255.最大竟是的設置值為 0x0000,而靜音為0xffff。例如,左聲道:-2.0dB,右聲道:-3.5dB,則SCI_VOL=(4X256)+7=0x0407。硬件復位將使SCI_VOL清零(最大音量),而軟件復位將不改變音量設置值。

                (設置靜音(SCI_COL=0XFFFF)將關閉模擬部分的供電。)

              12.SCI_AICTRL[X](地址:0XC~0XF 可讀寫)

                用于訪問用戶應用程序。

            7)VS1003有應用電路

        2、VS1003的驅動方法

           這里就來介紹單片片對VS1003的控制方法,最終實現MP3播放。

           1)準備工作

                  在對VS1003進行驅動之前,我們需要確保以下幾點已經沒問題,否則后面的工作都將是沒有意義的。

                  1.VS1003各部分的供電電壓與輸出電壓值是不同的。

         

        供電部分

         

        最小電壓

         

        推薦電壓

         

        最大電壓

         

        AVDD(模擬部分)

         

        2.5V

         

        2.8V

         

        3.6V

         

        CVDD(數字部分,內核)

         

        2.4V

         

        2.5V

         

        2.7V

         

        IOVDD(I/O電壓)

         

        CVDD-0.6V

         

        2.8V

         

        3.6V

         

        2.VS1003與單片機正確可靠連接。

                        VS1003與單片機連接的引腳主要有7個,分別為 SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS。只有保證它們與單片機正確可靠的連接,才能對VS1003進行有效的操作與控制。

           2)寫命令操作

                        要控制VS1003首先要實現的就是寫命令,這是控制是否成功的前提。關于通信接口部分,是一種同步串行接口方式(SPI從機模式),它要求SCLK信號必須由外部電路產生,數據(SDATA)在SCLK的上升沿或下降沿時被寫入。在筆者的實驗中,采用的是軟件模擬SPI,讀者也可以選用帶有硬件SPI的單片機(如STC12系列、AVR系列等),驅動效果會更好。寫命令的過程如下:

                         1.等待DREQ為高(當DREQ為低時,說明芯片還沒有就緒)

                         2.將XCS(命令片選)拉低

                         3.寫入0x02

                         4.寫入寄存器地址

                         5.分別寫入數據的高字節與低字節

                         6.將XCS置高

                     實現代碼如下:

        void wr_commad(unsigned char addr,unsigned char hdat,unsigned char ldat )

          DREQ=1;

          while(!DREQ);

          XCS=0;

          spi_write(0x02);

          spi_write(addr);

          spi_write(hdat);

          spi_write(ldat);   

          XCS=1;

        }

           3)VS1003的初始化

                        如其它芯片一樣,初始化對于VS1003來說同樣是極其重要的。初始化的過程大致是這樣的:

                        1.硬件復位:接XRESET拉低

                        2.延時,將XDCS、XCS、XRESET置高

                        3.向MODE中寫入0X0804

                        4.等待DREQ為高

                        5.設置VS1003的時鐘:SCI_CLOCKF=0x9800,3倍頻

                        6.設置VS1003的采樣率:SPI_AUDATA=0xbb81,采樣率48k,立體聲

                        7.設置重音:SPI_BASS=0x0055

                        8.設置音量:SCI_VOL=0x2020

                        9.這一步被很多人忽視,向VS1003發送4個字節的無效數據,用以啟動SPI發送

                    實現代碼如下:

        void Mp3Reset(void)

        {

          XRESET=0;

          delay(100);

          XDCS=XCS=XRESET=1;

          wr_commad(0x00,0x08,0x04);

          delay(10);

          DREQ=1;

          while(!DREQ);

          wr_commad(0x03,0x98,0x00);

          delay(10);

          wr_commad(0x05,0xbb,0x81);

          delay(10);

          wr_commad(0x02,0x00,0x55);

          delay(10);

          wr_commad(0x0b,VOL_VALUE,VOL_VALUE);   // 音量

          delay(10);

          spi_write(0);

          spi_write(0);

          spi_write(0);

          spi_write(0);

        }

              在進行了正確的初始化后,還要著重檢查一下VS1003的模擬部分是否正常

                    將VS1003的所有DVDD、AVDD管腳以及XRESET、TEST(第32個引腳)接+3.0V,然后測量RCAP引腳,它應該是1.3V左右,否則芯片模擬部分未正常工作。

           4)正弦測試

                    在上面的各種操作與檢測沒有問題后,就可以讓VS1003放出聲音了?梢岳肰S1003自帶的正弦測試對音頻輸出進行測試。要啟動 VS1003的正弦測試,需要向其寫入正弦測試命令。這里提供啟動正弦測試的流程,在真實的硬件運行通過,最終的效果是在耳機中聽到單一頻率的正弦音(頻率可以通過程序來更改)。

                    具體流程如下:

                     1.進入VS1003的測試模式:SPI_MODE=0X0820

                     2.等待DREQ為高

                     3.將XDCS接低,而XCS要置高,選擇VS1003的數據接口

                     4.向VS1003發送正弦測試命令:0X53 0XEF 0X6E 0X30 0X00 0X00 0X00 0X00

                       其中0X30為頻率,用戶可以修改為其它值

                     5.延時一段時間

                     6.退出正弦測試,發送命令:0X45 0X78 0X69 0X74 0X00 0X00 0X00 0X00

                     7.延時一段時間

                     8.循環以上流程

                    實現代碼如下:

        void Sintest(unsigned char x)

        {

         wr_commad(0x00,0x08,0x20);

         DREQ=1;

         while(!DREQ);

         XDCS=0;XCS=1;

         spi_write(0x53);

         spi_write(0xef);

         spi_write(0x6e);

         spi_write(x);

         spi_write(0);

         spi_write(0);

         spi_write(0);

         spi_write(0);

         delay(5000);

         spi_write(0x45);

         spi_write(0x78);

         spi_write(0x69);

         spi_write(0x74);

         spi_write(0);

         spi_write(0);

         spi_write(0);

         spi_write(0);

         delay(5000);

         XDCS=1;

        }

                        如果能夠通過這一步,就說明你的VS1003已經做好了為你播放MP3的準備了。下面的工作 就是將MP3文件的數據有條不紊地發給VS003,讓它來為你完成MP3的解碼和播放任務 。

                 5)MP3文件數據寫入

                        以上的對VS1003的初始化與測試都通過后,現在就可以給它發送MP3文件了。但是這時就又出現一個新的問題。MP3文件通常是比較大的,小的也要1M~2M,如果使單片機內部的Flash Rom的話,容量是遠遠不夠的。需要有一種大容量的存儲器來作為MP3文件的載體。在筆者的調試系統中采用了SD卡(256M)、U盤(1G)與移動硬盤(40G)來存儲MP3文件。關于SD卡與U盤的讀寫方法可以參看相關章節。這些大容量的存儲設備通常也是按照扇區來進行讀寫的,但在實際的應用中更多的是結合FAT32等文件系統來進行文件讀寫。文件系統部分可以參照《FAT32的存儲機制及其在單片機中的實現》。

                        這里拋開存儲介質不談,只談數據的寫入方法。其實寫入數據的方法十分簡單。主要就是看DREQ信號,在VS1003的FIFO能夠接受數據的時候輸出高電平。每次可以寫入32個字節的數據。而DREQ變低時,單片機就要停止數據的發送。

                        具體的寫數據的方法如下:

                        1.將XDCS拉低

                        2.等待DREQ為高

                        3.通過SPI寫入數據

                        4.在文件沒有結束前不斷重復2與3操作

                        5.在所有的數據都發送完畢后,最后發送2048個無效字節,用以清除VS1003的數據緩沖區

                        6.將XDCS置高

                   以下是筆者的程序中的寫數據部分:

        XDCS=0;

         for(j=621;j<2783;j++)

         {

          for(k=0;k<8;k++)

          {

           MMC_get_data_LBA(j,64,get);

           for(i=0;i<64;i++)

           {

             DREQ=1;

            while(!DREQ);

            spi_write(get[i]);

            //delay(60000);

           }

          }

         }

         for(temp=0;temp<2048;temp++)

         {

          DREQ=1;

          while(!DREQ);

          spi_write(0);

         }

         XDCS=1;

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