基于STM32的MP3设计

摘要I摘要本篇论文主要介绍的一款基于 Crotex3 内核设计的的 MP3 播放器。采用 STM32F103A 系列微处理器作为播放器的 CPU，采用由凌通公司生产的 DS250-10 芯片作为音乐解码芯片。利用MPU6050 运动处理模块收集 MP3 播放器的加速度、空间位置等运动信息，用以控制 MP3 播放器的播放/暂停、上一首/下一首等功能的实现。通过 BQ2057 电源管理芯片对锂电池进行充电管理。音量是由光敏电阻收集到的环境光强信息控制。无需按键，用户只需要通过改变播放器的空间位置，就可以控制播放器的功能实现。增加了操作的趣味性，提高了用户的操作体验。使得在如今新鲜招数层出不穷的 MP3 市场更有竞争力。关键词：MP3 播放器，加速度，环境光感应，STM32 ，DS205 -A103AbstractIIAbstractThis paper describes the design of a kernel-based Crotex3 of the MP3 player. Using STM32F103A Series microprocessor as the player of the CPU, using the Ling Tong produced DS250-10 chip as the music decoding chip. Use MPU6050 motion processing module collects acceleration MP3 player, sports such as spatial location information, to control the MP3 player, play / pause, previous / next track functions such implementation. By BQ2057 power management chip for lithium battery charge management. Volume is a photoresistor light collected information control environment. No buttons, the user only needs by changing the spatial position of the player, the player can control the realization of the function. Increases operational interest, improving the users operating experience. Making fresh tricks emerging in todays MP3 market more competitive.Keywords: MP3 player, accelerometer, ambient light sensor, STM32, DS205-A103目录III目录摘要 .IAbstract .II第一章概述 .11.1 MP3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III） .11.2 MP3 以及 MP3 播放器的发展趋势 .31.3 课题研究内容 .41.4 章节安排 .4第二章 主控 CPU 芯片 .62.1 STM32F103A 芯片的基本构成 .62.1.1 芯片特点 .72.1.2 芯片应用 .72.2 主控 CPU 电路 .9第三章 音频解码芯片 .103.1 GPDS25 芯片的基本构成 .103.1.1 产品特点 .103.1.2 规格参数 .103.2 DS250-10 芯片电路 .11第四章 控制模块 .124.1 三轴陀螺仪 .124.1.1 MPU6050 芯片简介 .124.1.2 MPU6050 芯片原理图 .134.2 红外控制 .164.2.1 红外遥控器面板代码对应图 .164.2.2 有关红外波形的测试 .174.3 光敏电阻 .224.3.1 光敏电阻简介 .224.3.2 光敏电阻原理图 .24第五章 电源管理 .255.1 锂电池 .255.1.1 锂电池简介 .255.1.2 锂电池发展前景 .255.2 锂电池原理图 .265.2.1 BQ2057.265.2.2 理电池充电电路 .26第六章 其它模块 .276.1 TF 卡 .276.1.1 TF 卡简介 .276.1.2 TF 与 SD 卡对应关系 .286.1.3 TF 卡电路原理图 .286.2 USB 模块 .296.2.1 USB 简介 .296.2.2 USB 模块原理图电路及外围电路 .29目录IV6.3 功放模块 .306.3.1 HXJ8002 芯片简介 .306.3.2 功放模块电路原理图 .31总结 .32参考文献 .34基于体感控制的 MP3 播放器的设计1第一章 概述1.1 MP3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）1、MP3 音频编码方式MP3 是一种近十年来新兴的音频压缩技术，其全称为动态影像专家压缩标准音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III） ，取其首字母缩写命名为 MP3。它的出现使得音频数据量得到了很大的降低。利用此项 Moving Picture Experts Group Audio Layer III 技术，可以使音乐达到 1:10 或者更多（ 1:12） 的压缩率，使得压缩后的音频文件明显减小，相对于大多数普通用户而言，MP3 格式的音频文件与未经过压缩的原音频文件相比，音质与体验并没有明显的区别。这使得 MP3 技术以及 MP3 音频格式的文件十分盛行。它的发明人是在 1991 年由德国一个名为埃尔朗根的研究组织中的一组工程师发明，并对其进行了标准化定义。MP3 之所以可以将音频文件以很大的压缩率压缩是由于人耳对某些高频的声音信号并不敏感，利用这一点，将原格式音频文件中的时域波形信号经软件转换为特殊的频域信号，并按标准将其化分为多个小范围频段，对于不同的音频频段选择不同的压缩率进行压缩，将人耳不用意听到的高频使用很大的压缩比，有时甚至会忽略某些高频信号，而对与人耳较敏感的低频信号采用很小的压缩率，保证音频中段的信号不有失真。因为去掉了人耳不能听见的高频部分，又很好的保留了人耳可以听见的中低音频部分，所以可以使得压缩率达到 110 甚至更高的 112。随着时代的进步，MPEG 格式也在不断的发展，如今 MPEG4 已经渐渐的走入人们的视线。其中 AAC 格式更是将会逐渐取代如今的 MP3 格式成为下一代的音频格式主角。当今人们所说的MP3 是对于 MP3 格式的一个总称。其中分为耳机形 MP3 和外放形 MP3 这两类，传统的 MP3 格式想要获得较好的音质需要配戴耳机才可以实现，但经过科学研究，长期配戴耳机对人耳会造成很大的伤害，这也就促成了 MP3 向着新的方面发展 外方形 MP3 格式，这种格式的音频文件适用于外放音乐，对人耳几乎没有伤害，得到了大家的追捧。表示 MP3 品质的参数为 Kpbs，32pbs 的 MP3 音频文件已经与 FLAC（CD 提取文件格式）和APE（无损压缩格式）在音质上已经几乎没有差别，但仍然保持着相对较小的体积（一首歌曲大约1B 左右） ，与之前的两种个相比，有着明显的体积优势，更适合应用在移动存储的音乐播放器上。2、MP3 格式的音频文件MP3 音频文件就是利用 MPEG Audio Layer 3 技术，将音乐压缩到原先文件大小的十分之一甚至十二分之一，这样生成的音频文件体积会大大减小，也可以解释成，在基本上不影响用户在听音乐的感受的基础上将音乐文件的体积大大减小，同时还很好的保留了原音频文件基本音质音效。由于 MP3 音频文件具有体积小同时音乐质量较好的特点，迅速替代了大部分格式的音频文件，几乎成为了流行音乐的一种标志。12pbs 质量的 MP3 文件，基本维持在 6/Mb 的比例，也就是说每 B的 MP3 音频文件的播放时间在 60 秒左右，较高品质的列如 32pbs 的 MP3 音频文件大概在 2/Mb。利用支持 MP3 格式的音乐播放器即 MP3 播放器对 MP3 音频文件进行解码播放，这便是我们平时所听到的 MP3 音乐。（1）优点：基于体感控制的 MP3 播放器的设计2MP3 格式音频文件的优点大致总结为三点：一是由于 MP3 格式对音频文件进行了部分压缩，使得文件体积大大减小。应用在移动存储设备上时，同样的存储空间可以存储更多的音乐；二是对于用户来说，不再局限于整盘的 CD，是自己在音乐的选择上更加灵活多样。三是其实用的播放器结构相对简单，不再像老式 CD 机那样播放中不可震动，同时体积较小，携带更加方便，可在运动中的同时享受音乐。（2）缺点：所谓鱼和熊掌不可兼得，MP3 格式的音频文件同样存在着缺点。由于 MP3 音频文件的音频压缩过程是一种有损压缩，去掉了人耳不能听到或较不容易听到的高频段声音，只留下了人耳可以听到音频范围内的频段，所以相对于 CD 等无损音质音乐来说，虽然不明显，但音质上的损失是不可避免的。但其实这点的影响微乎其微，因为这些音质的损失对于大部分人来说是无法察觉的。（3）音频质量：因为 MP3 是一种有损格式，它提供了多种不同“位速”的选项 也就是用来表示每秒音频所需的编码数据位数。典型的速度介于每秒 128 和 32b 之间。与此对照的是，CD 上未经压缩的音频位速是 1411.2 kbit/s（16 位/采样点 44100 采样点/ 秒 2 通道)。使用较低位速编码的 MP3 文件通常回放质量较低。使用过低的位速， “压缩噪声（：en：compression artifact） ”（原始录音中没有的声音）将会在回放时出现。说明压缩噪声的一个好例子是压缩欢呼的声音：由于它的随机性和急剧变化，所以编码器的错误就会更明显，并且听起来就象回声。除了编码文件的位速之外，MP3 文件的质量也与编码器的质量以及编码信号的难度有关。使用优质编码器编码的普通信号，一些人认为 12bit/s 的 MP3 以及 44.Hz 的 CD 采样的音质近似于CD 音质，同时得到了大约 11:1 的压缩率。在这个比率下正确编码的 MP3 能够获得比调频广播和卡式磁带更好的音质，这主要是那些模拟介质的带宽限制、信噪比和其它一些限制。然而，听力测试显示经过简单的练习测试听众能够可靠地区分出 12bit/s MP3 与原始 CD 的区别。在许多情况下他们认为 MP3 音质太低是不可接受的，然而其他一些听众或者换个环境（如在嘈杂的车中或者聚会上）他们又认为音质是可接受的。很显然，MP3 编码的瑕疵在低端计算机的扬声器上比较不明显，而在连接到计算机的高质量立体声系统，尤其是使用高质量的 headphone 时则比较明显。Fraunhofer Gesellschaft（FhG ）在他们的官方网站上公布了下面的 MPEG-1 Layer 1.2 和 3 的压缩率和数据速率用于比较： Layer 1: 384 kbit/s，压缩率 4:1 Layer 2: 192.256 kbit/s，压缩率 8:1.6:1 Layer 3: 112.128 kbit/s，压缩率 12:1.10:1不同层面之间的差别是因为它们使用了不同的心理声学模型导致的；Layer 1 的算法相当简单，所以透明编码就需要更高的位速。然而，由于不同的编码器使用不同的模型，很难进行这样的完全比较。许多人认为所引用的速率出于对 Layer 2 和 Layer 3 记录的偏爱而出现了严重扭曲。他们争辩说实际的速率如下所列：* Layer 1: 384 kbit/s 优秀。* Layer 2: 256.384 kbit/s 优秀，224.256 kbit/s 很好， 192.224 kbit/s 好。基于体感控制的 MP3 播放器的设计3* Layer 3: 224.320 kbit/s 优秀，192.224 kbit/s 很好， 128.192 kbit/s 好。当比较压缩机制时，很重要的是要使用同等音质的编码器。将新编码器与基于过时技术甚至是带有缺陷的旧编码器比较可能会产生对于旧格式不利的结果。由于有损编码会丢失信息这样一个现实，MP3 算法通过建立人类听觉总体特征的模型尽量保证丢弃的部分不被人耳识别出来（例如，由于 noise masking） ，不同的编码器能够在不同程度上实现这一点。3、MP3 播放器麻雀虽小但五脏俱全，MP3 播放器同样具备 CPU、存储、解码等设备。MP3 播放器在控制上一般分为按键控制和触屏控制，但无论哪种控制方式，用户发出的指令都会传送给 MP3 的CPU，CPU 接受到控制指令后会发送指令给 MCU，控制 MCU 从存储设备上读取所需要的音频文件，完成用户所需要的功能。MP3 音频文件要想播放需要经过 MCU 的解码，解码的过程可以理解为反向解码，把在 MP3 音频文件生成过程中压缩的部分尽可能最大的还原出来。但此时用户仍然无法听到音乐，这时便需要利用数模转换器将解码出来的数字信号转换为人耳可以听到的模拟信号经由信号放大器放大再发送到功放部分，例如耳机、音响等。MP3 不仅是人们享受音乐的工具，同时也是学习的一种重要工具，将课程录制下来，或是许多英语学习书籍中提供的 MP3 格式学习资料，都会让我们的学习事半功倍。1.2 MP3 以及 MP3 播放器的发展趋势自从第一款 MP3 播放器诞生以来，历经十余年，MP3 播放器经过了极大的发展与改变。同手机、相机等产品一样，正在向着功能多元化方向发展。不得不说，如今随着电子产品的不断发展，同一件电子产品所具备的功能越来越多，如拍照、听音乐等已成为了手机的基本功能。又如平板电脑的诞生，更是使得许多功能在不同的电子产品上出现了功能重叠的现象。MP3 音乐播放器作为一款功能相对单一的电子产品，受到了不小的市场冲击。但是虽然如此，MP3 在音乐播放时长仍然有他的一席之地，这其中的原因之一就是电子产品的续航问题。如今很少有人用手机来播放音乐，正是由于如今的主流手机待机续航时间基本为一天左右，但这只是在正常使用的情况下，如果加上播放音乐等功能，可能半天时间就已经没电了。所以物尽其用，对于播放音乐来说，大部分人的选择还是 MP3 播放器。但如今 MP3 播放器不仅受到其他的电子产品冲击，自身竞争也同样激烈。越来越多变的造型以及工业设计新元素的添加，让 MP3 能够持久地焕发着生机和活力。倘若站在潮流的浪尖往回看，视频概念，拍照功能，彩屏大屏拓展，巧克力按键，双层注塑亚克力面板，双核概念炒作，镜面工艺，2.8 英寸超大屏幕，国内的主流 MP3 厂家似乎总能够保持一种默契，每隔一段不太长的时间就会为当时的 MP3 加入一些新的设计元素，让 MP3 在消费者面前，永远保持着新鲜的卖点和创新的活力。三维感光音乐播放器正是在这种不断需要新鲜事物刺激眼球的背景下应运而生。所谓三维感光音乐播放器，一改往常通过按键或触摸屏对播放器进行控制的方式，而选择通过感应光照强度以及位置的改变，从而进行对音乐间的切换。通过外界自然光强度控制播放音量大小。使得产品拥有更人性化的操作，同时也增强了操作中的趣味性，为用户带来更好的娱乐体验以及更完美的音乐体验。基于体感控制的 MP3 播放器的设计41.3 课题研究内容此款产品主要由光敏电阻模块、6 轴传感器模块、主控芯片模块、音乐解码芯片模块、TF 卡模块、音频输出模块、电池模块、USB 模块这八部分组成。利用光敏电阻感知播放器所处环境的光强程度，根据光强程度来控制音乐的音量，并且利用 6轴传感器感知播放器的位置以及位置变化的加速度值，根据 6 轴传感器的信息来决定播放器播放音乐的功能（上一首、下一首、暂停、播放等） 。播放器的音乐存储在 TF 卡中，方便 TF 卡中的音频文件更换。播放器采用锂电池充电，播放器内置锂电池充电管理电路。系统流程如图1.1所示C P U( S T M 3 2 F 1 0 3 )M C U( G P D S 2 5 0 A )光敏电阻三轴陀螺仪（ M P U 6 0 5 0 ）电源管理芯片（ B Q 2 0 5 7 ）3 . 3 V 电压产生芯片（ C A T 6