基于STM32的多功能MP3设计

2013-11-07谭周文

湖南人文科技学院学报 2013年4期

颜锐，谭周文

(湖南人文科技学院通信与控制工程系，湖南娄底417000)

MP3作为高质量音乐压缩标准，给音频产业带来了具大的冲击。MP3技术使音乐数据压缩比率大，回放质量高。传统音乐文件在网络上传播时，主要用Winamp等播放软件进行播放，使MP3音乐无法脱离计算机进行播放，给音乐欣赏带来不便。随着MP3播放器的出现及其技术的发展，人们对MP3播放器的要求越来越高，制造商在MP3播放器的选型、设计、开发和功能等领域等方面做了很多努力，便携式多功能MP3播放器的应用也越来越具有实际应用价值和潜在的市场要求。基于以上背景，本文提出以STM32F103 ZET6为处理器，以VS1053为播放器解码芯片，设计一款便携多功能MP3播放器。

一硬件电路设计

(一)工作原理和结构框图

根据要求，确定如下方案:以STM32F103ZET6为主控芯片，从SD卡中读取音乐文件的数据，送VS1053进行解码，输出模拟音频信号。LD3320用来实现人机语音交互，2M的FLASH用来保存字库信息和UNICODE转OEM的码表。24C02用来保存触摸屏的校准信息。外扩512K的SRAM用来满足大内存的使用需求。显示模块采用3．0寸的触摸电阻屏，所有操作通过触摸完成。DS18B20完成温度的采集功能，蜂鸣器完成声音提示音的功能，摄像头接口外接OV7670模块完成照相的功能。硬件系统结构框图如图1所示。

图1 硬件系统结构框图

(二)音频编解码器电路设计

本系统采用VS1053音频编解码器作为音频文件的硬件解码方案，VS1053能解码MP3，WMA，WAV，MID，FLAC，OGG 格式的音频文件，并且还能进行ADPCM编码，包含一个低功耗，高性能的DSP处理器。VS1053采用SPI的通信方式，通过判断DREQ，如果此引脚为高电平则送数据，如果为低电平则停止送数据。因为VS1053自带立体DAC输出，如果解码成功，可以用示波器从LEFT和RIGHT引脚测得波形。能够直接驱动耳机。VS1053的原理图如图2所示:

图2 音频编解码电路

(三)TFT触摸屏电路设计

本系统采用的显示模块为3．0寸的TFT四线电阻屏。该显示屏的控制器是R61509V。显示屏外配有触摸屏，触摸屏的控制器是XPT2046。总的来说触摸电阻屏的设计分为两个部分，一个是显示屏的设计，另一个是触摸屏的设计。为了能够做出比较好的UI，采用的价格较高的3．0寸的TFT显示屏。TFT裸屏的原理图设计如图3所示:STM32F103ZET6的IO比较充足，况且选用16位的数据模式要比8位的数据模式，显示的速度要快得多。配合STM32F103ZET6的FSMC刷屏高达33FPS，可以说速度非常快。有两个0欧姆的电阻，当R2焊接的时候，IM0引脚就接地了，这时候就是16位数据模式，当R1焊接的时候，IM0引脚就接高电平，选择的就是8位数据模式。显示屏的LCD_BAK引脚是用来控制屏幕的亮度。这里接到处理器的PWM引脚就可以任意控制屏幕的亮度。

常见的触摸 IC 有 ADS7843，7846，UH7843，7846，XPT2046，TSC2046。XPT2046 有两种工作模式。一种是单端工作模式，另一种是差分工作模式，这里采用差分的工作模式。XPT2046的通信协议是SPI，指令很简单，当输入的指令为0X90时去读X坐标的电压值，当时指令为0XD0时就读取Y坐标的电压值。触摸屏的原理图设计如图4所示:

图3 TFT裸屏原理图

图4 触摸屏原理图

图3中有两个0欧姆的电阻，这是为了能够自由选择8位数据模式或16位的数据模式。

XPT2046包含12位精度的SAR型AD转换器。该IC主要为了采集电阻屏的电压值。对于电源的波动还是比较敏感的，TVCC通过VCC串联一个10欧姆的电阻，然后分别并上一个10UF和104的电容。电阻的作用是衰减小幅值的噪声信号，起到滤波的效果。104电容是滤除高频噪声。10UF电容有两个作用。一是储能的作用，此IC工作在差分模式，功耗比较大，这里的作用是避免工作时对电源的波动，对外可以滤除低频噪声。

(四)温度传感器和声音反馈电路设计

STM32F103ZET6处理器内部自带温度传感器，然而这个温度传感器的精度很不高，所以采用外接温度传感器。DS18B20是DALLAS公司生产的数字温度传感器，采用单总线的操作方式，精度又高。只占用一个IO口。温度传感器的设计很简单，需要注意引脚的接法，如果电源和地接反，将可能烧坏芯片。DS18B20连接图如图5所示:

图5 DS18B20原理图

系统采用容易编写程序的有源蜂鸣器，有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的最大区别是:有源蜂鸣器含有振荡器，只要电流达到要求，就能够以一定频率发出声音。对于某些操作采用蜂鸣器作为反馈声音，会使得本系统的设计变得更加人性化。蜂鸣器的连接图如图6所示:

图6 蜂鸣器原理图

采用贴片的三级管S8050，将STM32的BUZZER引脚设置为推挽高电平输出就能是蜂鸣器鸣叫了，可以注意到三级管的基极和地之间跨接了一个10K的电阻。当BUZZER引脚置为低电平的时候，由于基极还存在电压，电压不能够快速下降，并接一个电阻有利于电压快速降到低电平。

二软件设计

系统软件设计采用μC/OS-II作为操作系统，以UCGUI作为图形用户界面软件。采用模块化的编程思想，先写好底层与硬件相关的软件模块，封装成．c和．h文件。然后再编写与硬件无关的应用软件模块。软件总体框架设计如图7所示。具体操作包含几个模块的移植。

图7 软件总体设计框图

(一)uC/OS-II在STM32F103ZET6上的移植

在官网上下载源码。下载后，在Software文件夹中有两个子文件夹。在Ports文件夹中分别修改好 os_cpu．h，os_cpu_a．asm，os_cpu_c．c，os_dbg．c。然后再修改启动文件。修改完毕后，就可以通过os_cf g．h来裁剪内核，把不需要的系统服务裁剪掉以节省系统资源。裁剪完毕后，就可编写一个LED闪烁的任务来检验是否移植成功。

(二)uCGUI在STM32F103ZET6上的移植

下载uCGUI的源码(3．9版的)后。将文件中的CONFIG，GUI_X文件夹以及GUI的源文件夹添加到工程当中。CONFIG文件夹是用来裁剪和配置uCGUI的，该文件夹下有三个文件需要配置和修改，GUIConf．h是用来配置uCGUI是否支持操作系统，是否支持触摸，为窗体分配动态内存等等，GUITouchConf．h是用来配置触摸屏的参数，LCDConf．h是用来配置LCD显示其参数。对应CONFIG文件夹，GUI_X文件夹是用来修改具体的函数。完成这两个文件夹的修改，编译正确后，就可以通过uCGUI的一些简单的2D图形库函数测试uCGUI是否移植成功。

(三)FatFs在STM32F103ZET6上的移植

首先下载源码，有两个文件夹doc和src。在src文件夹包含需要的源码。ffconf．h是FatFs模块的配置文件，ff．c和ff．h分别是模块的源文件，头文件。Integer．h是模块的数据类型定义文件，diskio．c和diskio．h是模块的底层磁盘I/O文件。移植FatFs的时候只需要修改ffconf．h和diskio．c文件。通过ffconf．h文件可以配置是够支持字符串操作，是否支持长文件名，是否支持格式化，设置语言类型等等。FatFs模块完全与底层磁盘I/O分离，因此需要实现底层物理磁盘的读写函数。实现底层函数的时候，只考虑了一个物理磁盘的情况，其实FatFs可以支持多个不同的存储媒介，不过这里只有SD卡。移植好FatFs，就可像PC机一样读写文件。