以優(yōu)盤為存儲介質(zhì)的MP3播放器設(shè)計(jì)

以優(yōu)盤為存儲介質(zhì)的MP3播放器設(shè)計(jì)

提出一種以優(yōu)盤為存儲介質(zhì)的MP3播放器的設(shè)計(jì)方案，并論述其軟硬件設(shè)計(jì)方法。處理器采用ARM7芯片S3C44B0X，USB主控芯片采用SL811HS。在SL811HS擴(kuò)展主模式下，遵從USB1.1通信協(xié)議、海量存儲設(shè)備類協(xié)議和FAT16/FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)對優(yōu)盤的讀寫，以MP3硬解碼芯片VS1011B播放MP3歌曲。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可為欲以優(yōu)盤或USB移動硬盤為存儲介質(zhì)的其他工業(yè)或消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞 優(yōu)盤 MP3播放器 ARM SL811HSV S1011B

引言

　　隨著MP3播放器作為消費(fèi)類產(chǎn)品的普及，MP3的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)也越來越多。在當(dāng)前的MP3播放器中，一般有以下幾種設(shè)計(jì)方案：

　?、? MCU內(nèi)置硬解碼模塊。典型的芯片有Atmel公司的AT89C51SNDI等芯片。
　?、? 外置獨(dú)立的MP3硬解碼芯片。此種方案的好處是可以使用眾多的MCU，可根據(jù)需要任意選擇。硬解碼芯片典型的有VS1011B、STA013等芯片。
　?、? 使用功能強(qiáng)大的MCU進(jìn)行軟解碼，如使用DSP或是高性能的ARM。此種方案較為靈活，通過軟件升級即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級。

　　MP3播放器的存儲介質(zhì)一般采用Flash存儲芯片。隨著USB技術(shù)和閃存技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)盤已經(jīng)成為一種大眾化的電子產(chǎn)品被廣泛使用，但優(yōu)盤一般只是作為PC的移動存儲器。本文研究的一種方案是在上述MP3設(shè)計(jì)方案②的基礎(chǔ)上，外擴(kuò)優(yōu)盤讀寫電路，使存儲介質(zhì)使用普通的優(yōu)盤。這樣可以解決普遍使用的優(yōu)盤只能作為PC外設(shè)存儲數(shù)據(jù)用的問題，使U盤的使用范圍擴(kuò)展到MP3上。更大的意義還在于，本文提出了一種在以嵌入式系統(tǒng)、MCU為核心的消費(fèi)類電子產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品中，將優(yōu)盤作為數(shù)據(jù)存儲器使用的設(shè)計(jì)方案，為在微計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)、儀器儀表、無紙化數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中添加優(yōu)盤外設(shè)功能提供有益的參考。

1 ?硬件設(shè)計(jì)

　　S3C44B0X是Samsung公司開發(fā)生產(chǎn)的為嵌入式設(shè)備提供的一個低成本、高性能的ARM7TMDI核處理器，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)66 MHz。

　　SL811HS是Cypress公司的一款遵從USB1.1協(xié)議的嵌入式Host/Slave USB芯片；可以支持低速和高速模式，能自動偵測低速模式1. 5 Mbps設(shè)備和高速模式12 Mbps全速設(shè)備。由于具有8位數(shù)據(jù)總線的支持，使該芯片可以較為簡單地與微控制器相連。

　　SL811HS芯片與S3C44B0X的接口較為簡單。本系統(tǒng)中ARM讀/寫優(yōu)盤原理框圖如圖1所示。

圖1? 優(yōu)盤讀/寫電路原理框圖

　　SL811HS的控制命令和數(shù)據(jù)均通過D0～D7傳輸，A0為數(shù)據(jù)或地址選擇線。當(dāng)A0置為低電平時，D0～D7上傳輸?shù)氖荢L811HS片內(nèi)寄存器的地址；反之當(dāng)A0置為高電平時傳輸?shù)膭t為數(shù)據(jù)。nWR、nRD、nCS、nRST0分別為寫控制線、讀控制線、片選線和復(fù)位線，S3C44B0X通過這幾根控制線完成對SL811HS片內(nèi)緩沖區(qū)的讀寫、片選和復(fù)位等操作。INT是SL811HS的中斷請求信號線。當(dāng)SL811HS檢測到優(yōu)盤插入、拔出時，通過將INT線拉高通知S3C44B0X。S3C44B0X可以通過查詢SL811HS片內(nèi)狀態(tài)寄存器來得知是優(yōu)盤插入或是拔出。對狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫操作可以清除中斷，但需要注意的是ARM的結(jié)構(gòu)特性。ARM內(nèi)部通常是Little Endian方式存儲和使用4字節(jié)對齊方式[1]，并且當(dāng)采用16位數(shù)據(jù)總線時，地址線ADDR0是無效的[2]。在本系統(tǒng)中，SL811HS芯片A0端是與ADDR1相連接的。

　　VS1011B是一款單芯片的MP3解碼芯片，在國際MP3業(yè)余愛好者中影響較大，集成解碼、A/D轉(zhuǎn)換、音頻放大等功能。VS1011B與S3C44B0X接口為SPI接口，其連接電路原理框圖如圖2所示。

圖2? VS1011B控制電路原理框圖

　　VS1011B的控制與數(shù)據(jù)傳輸是通過SPI接口完成的，DREQ、xDCS、xCS、nRST1分別為數(shù)據(jù)請求端口、數(shù)字片選信號線、片選線、復(fù)位線。在VS1001B的新模式下，SDI（Serial Data Interface）數(shù)據(jù)和SCI（Serial Command Interface）數(shù)據(jù)傳輸可以共享ARM的一個SPI接口；而在兼容模式下，SDI數(shù)據(jù)傳輸要用DCLK、SDATA串行接口，SCI數(shù)據(jù)傳輸用SPI接口。為了簡化電路，此處選用了新模式。

2? 軟件設(shè)計(jì)

2.1? 優(yōu)盤讀寫軟件的實(shí)現(xiàn)

　　USB組織定義了海量存儲設(shè)備類（mass storage class）的規(guī)范。這個類規(guī)范包括4個獨(dú)立的子類規(guī)范：USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 、USB Mass Storage Class BulkOnly Transport、USB Mass Storage Class ATA Command Block、USB Mass Storage Class UFI Command Specification。其中優(yōu)盤屬于海量存儲設(shè)備，遵循bulkonly傳輸協(xié)議，子類采用UFI命令集。本設(shè)計(jì)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中兩條點(diǎn)畫線之間的部分為讀/寫優(yōu)盤的軟件結(jié)構(gòu)。

圖3? 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2.1.1? USB物理層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　該部分實(shí)現(xiàn)S3C44B0X對SL811HS芯片的直接底層數(shù)據(jù)的讀寫，包括對SL811HS的初始化及讀/寫一個字節(jié)的函數(shù)。限于篇幅，此處只列出對SL811HS芯片的初始化程序：

/*********************************
　　函數(shù)名稱：SL811_Init
　　函數(shù)功能：初始化SL811HS芯片
　　輸入參數(shù)：無
　　返回值：無
*********************************/
void SL811_Init(void){
　　//初始化U盤為未插入狀態(tài)
　　bFlags.bits.SLAVE_ONLINE = FALSE;
　　bFlags.bits.SLAVE_FOUND = FALSE;
　　bFlags.bits.SLAVE_REMOVED = FALSE;
　　bFlags.bits.SLAVE_ENUMERATED = FALSE;
　　bFlags.bits.SLAVE_IS_ATTACHED = FALSE;
　　//允許硬件產(chǎn)生SOF（Start of Frame）
　　SL811Write(CtrlReg,0x04);
　　DelayMs(100);
　　SL811Write(CtrlReg,0x01);
　　//設(shè)置SOF，1 ms中斷
　　SL811Write(cDATASet,0xe0);
　　//設(shè)置為主機(jī)工作模式
　　SL811Write(cSOFcnt,0xae);
　　SL811Write(EP0Status,0x50);
　　//地址設(shè)為0
　　SL811Write(EP0Counter,0);
　　//允許數(shù)據(jù)發(fā)送
　　SL811Write(EP0Control,0x01);
　　SL811Write(IntEna,0x20);
　　//清中斷
　　SL811Write(IntStatus,INT_CLEAR);
}

2.1.2? USB設(shè)備協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)

　　該部分實(shí)現(xiàn)對優(yōu)盤扇區(qū)的直接讀寫，其中兩個很重要的函數(shù)為Bulkin和Bulkout。此處只列出Bulkin函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

/**********************************
　　函數(shù)名稱：epBulkRcv
　　函數(shù)功能：實(shí)現(xiàn)bulkonly協(xié)議中的Bulkin函數(shù)
　　輸入?yún)?shù)：pBuffer為數(shù)據(jù)的地址，len為數(shù)據(jù)的長度
　　返回值：TRUE為成功，F(xiàn)ALSE為失敗
**********************************/
unsigned char epBulkRcv(unsigned char *pBuffer,unsigned int len){
　　　　usbstack.usbaddr=0x1;
　　　　usbstack.endpoint=usbstack.epbulkin;
　　　　usbstack.pid=PID_IN;
　　　　//設(shè)置包長度為64
　　　　usbstack.wPayload=64;
　　　　usbstack.wLen=len;
　　　　usbstack.buffer=pBuffer;
　　　　if(usbstack.wLen){
　　　　　　if(!usbXfer())
　　　　　　return FALSE;
　　　　}
　　return TRUE;
}

2.1.3? FAT16/FAT32文件格式的實(shí)現(xiàn)

　　該部分程序是根據(jù)FAT16/FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對文件的讀、寫、創(chuàng)建、刪除等操作。優(yōu)盤上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點(diǎn)和作用大致可分為5部分：MBR區(qū)（主引導(dǎo)記錄區(qū)）、DBR區(qū)（系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)）、FAT區(qū)（文件分配表區(qū)）、FDT區(qū)（文件目錄表區(qū)）和DATA區(qū)（數(shù)據(jù)區(qū)）。

　　在實(shí)現(xiàn)對文件的讀/寫時，首先根據(jù)MBR區(qū)和DBR區(qū)的大小，找到FAT表的位置，然后根據(jù)FAT表找出相應(yīng)文件的數(shù)據(jù)位置，即可對此文件進(jìn)行相應(yīng)的處理。其具體實(shí)現(xiàn)涉及FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，此處不再詳述。

2.2? VS1011B的控制與音樂文件數(shù)據(jù)輸入

　　本方案MP3播放器的實(shí)現(xiàn)原理就是控制器從優(yōu)盤讀取MP3文件數(shù)據(jù)，當(dāng)VS1011B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)需要數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)送入VS1011B進(jìn)行解碼。VS1011B采用串行接口，有兩種接口模式： Native Modes（新模式）和Compatibility Mode（兼容模式）。當(dāng)?shù)刂窞?x0的MODE寄存器的SM_SDINEW位為1時為新模式；反之為兼容模式。上電時默認(rèn)為新模式。

　　在播放音樂之前，首先需要對VS1011B進(jìn)行初始化，然后輸入音樂文件即可播放歌曲。其控制步驟如下：[3]

　　① ?拉低nRST1。
　?、? 等待DREQ引腳信號變高。
　?、? 寫寄存器MODE的參數(shù)，包括正確設(shè)置SM_SDINEW和SM_SDISHARED位。
　　④? 若時鐘數(shù)率非24.576 MHz，應(yīng)設(shè)置SCI_CLOCKF。
　?、? 若使用倍頻時鐘，試圖通過改變SCI_CLOCKF直接操作，應(yīng)將適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾蕦懭隨CI_AUDATA寄存器，等待至少11 000個時鐘后才可以操作高速的SPI通信。
　?、? 設(shè)置音量寄存器SCI_VOL。
　　⑦? 若希望加強(qiáng)低音，可設(shè)置寄存器SCI_BASS。
　?、? 從優(yōu)盤讀取一首MP3歌曲文件，并開始傳送音樂數(shù)據(jù)。應(yīng)注意數(shù)據(jù)傳送的規(guī)則，DREQ信號是用來表示VS1011B的MP3數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否需要數(shù)據(jù)。當(dāng)VS1011B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可再接收32字節(jié)數(shù)據(jù)時，DREQ引腳電平變高。當(dāng)軟件查詢到此引腳電平變高時，就再送入32個字節(jié)的MP3音樂數(shù)據(jù)。
　　⑨? 本首歌曲完成播放，讀取下一首MP3歌曲，并轉(zhuǎn)到步驟⑧。

結(jié)語

　　本文介紹了使用優(yōu)盤存儲MP3歌曲文件的一種MP3播放器的設(shè)計(jì)，其中軟件設(shè)計(jì)的難度較大。此外VS1011B除支持MP3格式音樂文件外，還支持WAV格式等，改變一下軟件即可播放WAV文件格式的音樂。如果MP3播放器設(shè)計(jì)帶有液晶屏，則可以通過把相應(yīng)的歌曲歌詞存儲在優(yōu)盤上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時歌詞顯示等功能。

　　雖然這里給出的只是優(yōu)盤在嵌入式系統(tǒng)中的一個應(yīng)用示例，但在此基礎(chǔ)上很容易演變出別的功能。例如對本系統(tǒng)稍加改變，即可把優(yōu)盤換成USB移動硬盤，這樣可以有更大的存儲容量。在這種大存儲容量的基礎(chǔ)上，才能設(shè)計(jì)對存儲容量要求較大的MP4播放器、硬盤攝像機(jī)等。另外，本文的設(shè)計(jì)思路還可以應(yīng)用在以嵌入式為核心的許多其他工業(yè)或消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，如數(shù)據(jù)采集保存器、數(shù)碼相機(jī)等，方便地實(shí)現(xiàn)與PC的數(shù)據(jù)交換。