OLED显示MP3播放器设计.doc

采用OLED显示的MP3音乐播放器设计周言 王耀 王灼 (Yan zhou, Yao wang，Zhuo wang) 北华航天工业学院 电子信息工程系（河北廊坊065000）摘要：本文采用STM32F103RBT6微控制器做为核心处理单元，以VS1053实现了音频解码功能，以OLED液晶屏实现了人机界面，结合TF卡、ASM1117电源芯片等外围器件完成了一种功能完整、功耗低、人机交互友好的MP3音乐芯片设计。系统可播放VS1053原生支持的MP3、WMA、WAV文件，并通过软件加载PATCH的方式增加了对无损音频FLAC格式的支持。关键字：OLED，音乐播放器，STM32，音频解码1引言MP3是一种可以大幅度降低音频数据量的音频压缩技术，随着这项技术的发展而诞生的数码设备MP3音乐播放器曾是数字革命的先锋，它的出现对传统唱片业的影响是空前的。即使在消费者被智能手机等其他数码产品分流的今天，MP3音乐播放器因其音质、续航等诸多方面的优势仍然受到许多音乐爱好者的追捧。本文基于STM32系列MCU、VS1053音频编解码器和OLED显示屏，设计了一款可以播放MP3、WMA、WAV以及无损压缩FLAC等格式音乐文件的MP3音乐播放器，该播放器可通过OLED显示屏显示长文件名、播放时间等信息，并具有音量调节和曲目选择功能。2系统方案设计本音乐播放器主要由主控部分、存储模块、音频解码模块、显示模块和电源模块等几个核心部分构成。主控电路以STM32F103RBT6嵌入式MCU为核心，配合8M无源晶振、32.768K晶振等外围器件以及电源电路、复位电路等构成最小系统，主要完成数据读写、处理与各个模块的调度等功能，是整个系统的核心部分。系统的另一个核心部分是音频解码模块，由VS1053音频编解码芯片为核心构成，主要负责将MCU传输过来的音频数据流解码并通过音频输出通道播放。系统的结构图如下：3系统的硬件设计3.1控制核心电路 系统的主芯片STM32F103RBT6是一款采用ARM CORTEX M3内核的高性能、低成本32位核心处理器。该款CPU在STM32F103系列中属于中端产品，但内嵌的128K程序存储器和20K的RAM已足以满足音乐播放器系统的需求，如果程序优化得当，还将有足够余量。另外该芯片内嵌2个SPI接口与2个IIC接口，可以方便地与系统中各个模块进行通信。芯片还内嵌了符合USB2.0规范的USB接口，为系统日后添加有关USB传输的相应功能提供了余量。系统采用8M晶振，芯片利用内部锁相环倍频到72M主频，晶振电路如图2所示。图中并联的两个22P电容，这两个电容是晶体的匹配电容，只有在外部所接电容为匹配电容的情况下， 振荡频率才能保证在标称频率附近的误差范围内。一般取2230pF。图2晶振部分电路图由ASM1117-3.3搭成的稳压电路负责为CPU提供稳定的3.3V工作电压。STM32F103系列CPU可工作在23.6V的电压范围内。另外，CPU每个供电引脚处并接了一个100nF左右的小电容，这是去耦电容，可以滤除供电线中的高次谐波保证供电稳定。3.2显示模块设计 系统采用128*64分辨率的OLED显示屏作为显示模块。该显示屏由SSD1306作为驱动芯片，可以通过8080并口和SPI或IIC串口与单片机进行通讯。本设计中采用了模块的SPI串口模。OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display，OELD）。OLED 具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性。本模块主要特点有：1) 尺寸小，仅有0.96寸，有利于系统小型化。2) 分辨率高，为128*64的分辨率，可以显示足够多的信息。3) 接口方式灵活，可以根据主控芯片资源灵活调配，采用IIC模式仅需占用2个IO口。4) 采用3.3V供电，与CPU供电电源相同。3.3音频解码模块系统采用VS1053芯片作为音频解码的核心，该芯片还内置了一个高性能立体声DAC和音频耳机放大器，极大简化了电路设计。在系统中，STM32作为主机，VS1053作为从机，通过7根线与CPU通讯。分别是：VS_MISO、VS_MOSI、VS_SCK、VS_XCS、VS_XDCS、VS_DREQ 和VS_RST。其中VS_RST是VS1053的复位信号线，低电平有效。VS_DREQ是一个数据请求信号，用来通知主机，VS1053可以接收数据与否。VS_MISO、VS_MOSI和VS_SCK则是VS1053的SPI接口。他们在VS_XCS和VS_XDCS下面来执行不同的操作。VS1053采用两个电源分别为模拟、数字两部分供电。模拟部分供电电压为3.3V，由低压差稳压芯片ASM1117-3.3提供，数字部分供电电压1.8V，由ASM1117-1.8提供。本设计中，将音频解码部分做成了独立模块，减少了其他模块对音频数据流的干扰，并便于系统的硬件升级。音频解码部分PCB版图如图3。 图3 PCB版图设计3.4其他外围电路设计存储部分。存储部分采用TF封装的SD卡，用来存放音频文件。采用SPI模式与CPU通讯，CS/MISO/MOSI/CLK脚分别接10100K上拉电阻。该部分接口电路如图4。图4，存储部分接口电路人机接口。系统共通过四颗按键，接到CPU的IO口上，分别实现音量的加、减，曲目的选择功能。另外还有一颗复位按键，用于系统的复位，可实现上电自动复位和手动复位功能。4系统的软件设计4.1内存管理音乐播放器的程序涉及到大量的数据读写，必须引入内存管理才能提高软件运行效率，增强系统稳定性。内存管理，是指软件运行时对计算机内存资源的分配和使用的技术。其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。内存管理的实现方法有很多种，他们其实最终都是要实现2个函数：malloc和free；malloc函数用于内存申请，free函数用于内存释放。本系统中，我们采用了一种比较简单的内存管理方式：分块式内存管理。该方式的原理如图5。图5内存管理原理4.2 FATFS文件系统的移植FATFS是一个完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。它完全用标准C语言编写，所以具有良好的硬件平台独立性。其源码中我们一般只需要修改2个文件，即 fconf.h和diskio.c。需要着重指出的是，FATFS源码中的cc936.c文件提供了对中文长文件名的支持，因为其中含有Unicode与GBK编码的双向转换表，故文件较大，若直接编译，程序容量将超过STM32RBT6的FLASH存储器128K的限制，我们需要将其中的转换表数组提取出来转换成UNIGBK.BIN文件，放置在内存卡或外置FLASH芯片中，需要时再予以读取。4.3 VS1053控制VS1053的软件操作过程如下：1）复位VS1053这里包括了硬复位和软复位，是为了让VS1053的状态回到原始状态，准备解码下一首歌曲。2）配置VS1053的相关寄存器需要配置的寄存器包括VS1053的模式寄存器（MODE）、时钟寄存器（CLOCKF）、音调寄存器（BASS）、音量寄存器（VOL）等。3）发送音频数据当经过以上两步配置以后，CPU将SD卡中存储的音频数据读取出来，发送到VS1053中，VS1053会自动识别，并进行播放。发送数据的时序规则是：DREQ变高时，向VS1053发送32个字节。然后继续等待DREQ变高，直到音频数据发送完。VS1053支持MP3/OGG/WMA/WAV/MIDI等格式的播放，若要播放FLAC、ACC等无损音乐格式，需要加载软件PATCH。 4.4 OLED显示OLED通过SPI串行口与单片机进行通讯，因STM32F103RBT6只有两个SPI串行口，且SD卡、VS1053都需要SPI通讯，同时又对传速速率有较高要求，这里将两个内置SPI分配给SD和VS1053。液晶屏对传速速率没有过高要求，所以采用IO口模拟SPI的模式。软件设计分为SPI时序和SPI协议两部分。SPI时序如图6：图6 SPI时序图5总结本文讨论了一种基于STM32F103RBT6的音乐播放器设计，定义了OLED液晶显示屏、SD卡和VS1053的接口设计，讨论了FATFS的移植、内存管理和VS1053的控制流程，并指出了软硬件设计中需要特别注意的一些细节问题，对相应器件的调试和其他类似系统设计有一定的参考意义。参考文献1李宁. 基于 MDK 的 STM32 处理器开发应用M. 北京航空航天大学出版社, 2008.2刘军. 例说 STM32M. 北京航空航天大学出版社, 2011.3程