以優(yōu)盤為存儲介質的mp3播放器設計

作者：時間：2007-11-20 來源：網絡

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引言

隨著mp3播放器作為消費類產品的普及，MP3的設計與生產也越來越多。在當前的MP3播放器中，一般有以下幾種設計方案：

① MCU內置硬解碼模塊。典型的芯片有Atmel公司的AT89C51SNDI等芯片。
② 外置獨立的MP3硬解碼芯片。此種方案的好處是可以使用眾多的MCU，可根據需要任意選擇。硬解碼芯片典型的有VS1011B、STA013等芯片。
③ 使用功能強大的MCU進行軟解碼，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現產品的升級。

MP3播放器的存儲介質一般采用Flash存儲芯片。隨

著USB技術和閃存技術的發(fā)展，優(yōu)盤已經成為一種大眾化的電子產品被廣泛使用，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設計方案②的基礎上，外擴優(yōu)盤讀寫電路，使存儲介質使用普通的優(yōu)盤。這樣可以解決普遍使用的優(yōu)盤只能作為PC外設存儲數據用的問題，使U盤的使用范圍擴展到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為核心的消費類電子產品或工業(yè)產品中，將優(yōu)盤作為數據存儲器使用的設計方案，為在微計算機測控系統(tǒng)、儀器儀表、無紙化數據記錄儀、數碼相機等產品中添加優(yōu)盤外設功能提供有益的參考。

1 硬件設計

S3C44B0X是Samsung公司開發(fā)生產的為嵌入式設備提供的一個低成本、高性能的ARM7TMDI核處理器，其最高運行頻率可達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設備和高速模式12 Mbps全速設備。由于具有8位數據總線的支持，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。

優(yōu)盤讀/寫電路原理框圖

SL811HS的控制命令和數據均通過D0～D7傳輸，A0為數據或地址選擇線。當A0置為低電平時，D0～D7上傳輸的是SL811HS片內寄存器的地址；反之當A0置為高電平時傳輸的則為數據。nWR、nRD、nCS、nRST0分別為寫控制線、讀控制線、片選線和復位線，S3C44B0X通過這幾根控制線完成對SL811HS片內緩沖區(qū)的讀寫、片選和復位等操作。INT是SL811HS的中斷請求信號線。當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)寄存器進行寫操作可以清除中斷，但需要注意的是ARM的結構特性。ARM內部通常是Little Endian方式存儲和使用4字節(jié)對齊方式[1]，并且當采用16位數據總線時，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。

VS1011B控制電路原理框圖

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

2 軟件設計

2.1 優(yōu)盤讀寫軟件的實現

USB組織定義了海量存儲設備類（mass storage class）的規(guī)范。這個類規(guī)范包括4個獨立的子類規(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)盤屬于海量存儲設備，遵循bulkonly傳輸協(xié)議，子類采用UFI命令集。本設計軟件的總體結構如圖3所示。其中兩條點畫線之間的部分為讀/寫優(yōu)盤的軟件結構。

2.1.1 USB物理層協(xié)議的實現

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

/*********************************
　　函數名稱：SL811_Init
　　函數功能：初始化SL811HS芯片
　　輸入參數：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;
　　//允許硬件產生SOF（Start of Frame）
　　SL811Write(CtrlReg,0x04);
　　DelayMs(100);
　　SL811Write(CtrlReg,0x01);
　　//設置SOF，1 ms中斷
　　SL811Write(cDATASet,0xe0);
　　//設置為主機工作模式
　　SL811Write(cSOFcnt,0xae);
　　SL811Write(EP0Status,0x50);
　　//地址設為0
　　SL811Write(EP0Counter,0);
　　//允許數據發(fā)送

SL811Write(EP0Control,0x01);
　　SL811Write(IntEna,0x20);
　　//清中斷
　　SL811Write(IntStatus,INT_CLEAR);
}

2.1.2 USB設備協(xié)議層的實現

該部分實現對優(yōu)盤扇區(qū)的直接讀寫，其中兩個很重要的函數為Bulkin和Bulkout。此處只列出Bulkin函數的實現：

/**********************************
　　函數名稱：epB

ulkRcv
　　函數功能：實現bulkonly協(xié)議中的Bulkin函數
　　輸入參數：pBuffer為數據的地址，len為數據的長度
　　返回值：TRUE為成功，FALSE為失敗
**********************************/
unsigned char epBulkRcv(unsigned char *pBuffer,unsigned int len){
　　　　usbstack.usbaddr=0x1;
　　　　usbstack.endpoint=usbstack.epbulkin;
　　　　usbstack.pid=PID_IN;
　　　　//設置包長度為64
　　　　usbstack.wPayload=64;
　　　　usbstack.wLen=len;
　　　　usbstack.buffer=pBuffer;
　　　　if(usbstack.wLen){
　　　　　　if(!usbXfer())
　　　　　　return FALSE;
　　　　}
　　return TRUE;
}

2.1.3 FAT16/FAT32文件格式的實現

該部分程序是根據FAT16/FAT32文件系統(tǒng)的結構，實現對文件的讀、寫、創(chuàng)建、刪除等操作。優(yōu)盤上的數據按照其不同的特點和作用大致可分為5部分：MBR區(qū)（主引導記錄區(qū)）、DBR區(qū)（系統(tǒng)引導記錄區(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)（數據區(qū)）。

在實現對文件的讀/寫時，首先根據MBR區(qū)和DBR區(qū)的大小，找到FAT表的位置，然后根據FAT表找出相應文件的數據位置，即可對此文件進行相應的處理。其具體實現涉及FAT文件系統(tǒng)的結構，此處不再詳述。

2.2 VS1011B的控制與音樂文件數據輸入

本方案mp3播放器的實現原理就是控制器從優(yōu)盤讀取MP3文件數據，當VS1011B的數據緩沖區(qū)需要數據時，將數據送入VS1011B進行解碼。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）。當地址為0x0的MODE寄存器的SM_SDINEW位為1時為新模式；反之為兼容模式。上電時默認為新模式。

在播放音樂之前，首先需要對VS1011B進行初始化，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。
② 等待DREQ引腳信號變高。
③ 寫寄存器MODE的參數，包

括正確設置SM_SDINEW和SM_SDISHARED位。
④ 若時鐘數率非24.576 MHz，應設置SCI_CLOCKF。
⑤ 若使用倍頻時鐘，試圖通過改變SCI_CLOCKF直接操作，應將適當的采樣速率寫入SCI_AUDATA寄存器，等待至少11000個時鐘后才可以操作高速的SPI通信。
⑥ 設置音量寄存器SCI_VOL。
⑦ 若希望加強低音，可設置寄存器SCI_BASS。
⑧從優(yōu)盤讀取一首MP3歌曲文件，并開始傳送音樂數據。應注意數據傳送的規(guī)則，DREQ信號是用來表示VS1011B的MP3數據緩沖區(qū)是否需要數據。當VS1011B的數據緩沖區(qū)可再接收32字節(jié)數據時，DREQ引腳電平變高。當軟件查詢到此引腳電平變高時，就再送入32個字節(jié)的MP3音樂數據。
⑨ 本首歌曲完成播放，讀取下一首MP3歌曲，并轉到步驟⑧。

結語

本文介紹了使用優(yōu)盤存儲MP3歌曲文件的一種MP3播放器的設計，其中軟件設計的難度較大。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播放器設計帶有液晶屏，則可以通過把相應的歌曲歌詞存儲在優(yōu)盤上，實現實時歌詞顯示等功能。

雖然這里給出的只是優(yōu)盤在嵌入式系統(tǒng)中的一個應用示例，但在此基礎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上，才能設計對存儲容量要求較大的MP4播放器、硬盤攝像機等。另外，本文的設計思路還可以應用在以嵌入式為核心的許多其他工業(yè)或消費類電子產品中，如數據采集保存器、數碼相機等，方便地實現與PC的數據交換。

參考文獻：
[1] 楊捷，徐志化.基于ARM7的無紙記錄儀的U盤讀寫方法[J].自動化儀表, 2006,27(1): 22-24.
[2] 劉曄波，朱欣華. SL811H/S在基于ARM7的嵌入式硬件平臺中的應用[J] .測控技術,2006, 25(10):74:77.
[3] www.ouravr.com.
[4] Samsung Electronics.S3C44B0X UserManual.[EB/OL].http://www.samsung.com，2000.4.13/2005.10.20.
[5] Cypress Semiconductor Corporation. SL811 Embedded USB Host/Slave Controller Data Sheet, 2002.
[6] VLSI Solution Corporation. VS1011B User Manual. Version 1.01, 2004.
[7] 廖日坤，李寧宇，等.基于DSP技術的MP3播放器的研究與設計[J] .測控技術,2004,32(增刊): 193194.