以憂(yōu)盤(pán)為存儲介質(zhì)的mp3播放器設計

引言

       隨著(zhù)mp3播放器作為消費類(lèi)產(chǎn)品的普及，MP3的設計與生產(chǎn)也越來(lái)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(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(guò)軟件升級即可實(shí)現產(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(zhù)USB技術(shù)和閃存技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)盤(pán)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(pán)一般只是作為PC的移動(dòng)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(pán)讀寫(xiě)電路，使存儲介質(zhì)使用普通的優(yōu)盤(pán)。這樣可以解決普遍使用的優(yōu)盤(pán)只能作為PC外設存儲數據用的問(wèn)題，使U盤(pán)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、MCU為核心的消費類(lèi)電子產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品中，將優(yōu)盤(pán)作為數據存儲器使用的設計方案，為在微計算機測控系統、儀器儀表、無(wú)紙化數據記錄儀、數碼相機等產(chǎn)品中添加優(yōu)盤(pán)外設功能提供有益的參考。
      1  硬件設計

       S3C44B0X是Samsung公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的為嵌入式設備提供的一個(gè)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(dòng)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(xiàn)的支持，使該芯片可以較為簡(jiǎn)單地與微控制器相連，SL811HS芯片與S3C44B0X的接口較為簡(jiǎn)單。本系統中ARM讀/寫(xiě)優(yōu)盤(pán)原理框圖如圖1所示。 

 

       SL811HS的控制命令和數據均通過(guò)D0～D7傳輸，A0為數據或地址選擇線(xiàn)。當A0置為低電平時(shí)，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(shí)傳輸的則為數據。nWR、nRD、nCS、nRST0分別為寫(xiě)控制線(xiàn)、讀控制線(xiàn)、片選線(xiàn)和復位線(xiàn)，S3C44B0X通過(guò)這幾根控制線(xiàn)完成對SL811HS片內緩沖區的讀寫(xiě)、片選和復位等操作。INT是SL811HS的中斷請求信號線(xiàn)。當SL811HS檢測到優(yōu)盤(pán)插入、拔出時(shí)，通過(guò)將INT線(xiàn)拉高通知S3C44B0X。S3C44B0X可以通過(guò)查詢(xún)SL811HS片內狀態(tài)寄存器來(lái)得知是優(yōu)盤(pán)插入或是拔出。對狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫(xiě)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字節對齊方式[1]，并且當采用16位數據總線(xiàn)時(shí)，地址線(xiàn)ADDR0是無(wú)效的[2]。在本系統中，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(ài)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的控制與數據傳輸是通過(guò)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(xiàn)、片選線(xiàn)、復位線(xiàn)。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(gè)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(jiǎn)化電路，此處選用了新模式。
2  軟件設計

       2.1  優(yōu)盤(pán)讀寫(xiě)軟件的實(shí)現

       USB組織定義了海量存儲設備類(lèi)（mass storage class）的規范。這個(gè)類(lèi)規范包括4個(gè)獨立的子類(lèi)規范：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(pán)屬于海量存儲設備，遵循bulkonly傳輸協(xié)議，子類(lèi)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(diǎn)畫(huà)線(xiàn)之間的部分為讀/寫(xiě)優(yōu)盤(pán)的軟件結構。





       2.1.1  USB物理層協(xié)議的實(shí)現 {{分頁(yè)}}

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

      /*********************************
      　　函數名稱(chēng)：SL811_Init
      　　函數功能：初始化SL811HS芯片
      　　輸入參數：無(wú)
      　　返回值：無(wú)
      *********************************/
      void SL811_Init(void){
      　　//初始化U盤(pán)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(shí)現

       該部分實(shí)現對優(yōu)盤(pán)扇區的直接讀寫(xiě)，其中兩個(gè)很重要的函數為Bulkin和Bulkout。此處只列出Bulkin函數的實(shí)現：

       /**********************************
      　　函數名稱(chēng)：epB  
ulkRcv
      　　函數功能：實(shí)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(cháng)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(cháng)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

       該部分程序是根據FAT16/FAT32文件系統的結構，實(shí)現對文件的讀、寫(xiě)、創(chuàng )建、刪除等操作。優(yōu)盤(pán)上的數據按照其不同的特點(diǎn)和作用大致可分為5部分：MBR區（主引導記錄區）、DBR區（系統引導記錄區）、FAT區（文件分配表區）、FDT區（文件目錄表區）和DATA區（數據區）。

       在實(shí)現對文件的讀/寫(xiě)時(shí)，首先根據MBR區和DBR區的大小，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(jìn)行相應的處理。其具體實(shí)現涉及FAT文件系統的結構，此處不再詳述。 {{分頁(yè)}}

2.2  VS1011B的控制與音樂(lè )文件數據輸入

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

       在播放音樂(lè )之前，首先需要對VS1011B進(jìn)行初始化，然后輸入音樂(lè )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(xiě)寄存器MODE的參數，包  
括正確設置SM_SDINEW和SM_SDISHARED位。
       ④  若時(shí)鐘數率非24.576 MHz，應設置SCI_CLOCKF。
       ⑤  若使用倍頻時(shí)鐘，試圖通過(guò)改變SCI_CLOCKF直接操作，應將適當的采樣速率寫(xiě)入SCI_AUDATA寄存器，等待至少11 000個(gè)時(shí)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(pán)讀取一首MP3歌曲文件，并開(kāi)始傳送音樂(lè )數據。應注意數據傳送的規則，DREQ信號是用來(lái)表示VS1011B的MP3數據緩沖區是否需要數據。當VS1011B的數據緩沖區可再接收32字節數據時(shí)，DREQ引腳電平變高。當軟件查詢(xún)到此引腳電平變高時(shí)，就再送入32個(gè)字節的MP3音樂(lè )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(yǔ)

       本文介紹了使用優(yōu)盤(pán)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(lè )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(lè )。如果MP3播放器設計帶有液晶屏，則可以通過(guò)把相應的歌曲歌詞存儲在優(yōu)盤(pán)上，實(shí)現實(shí)時(shí)歌詞顯示等功能。

       雖然這里給出的只是優(yōu)盤(pán)在嵌入式系統中的一個(gè)應用示例，但在此基礎上很容易演變出別的功能。例如對本系統稍加改變，即可把優(yōu)盤(pán)換成USB移動(dòng)硬盤(pán)，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(pán)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(lèi)電子產(chǎn)品中，如數據采集保存器、數碼相機等，方便地實(shí)現與PC的數據交換。



參考文獻：
[1]  楊捷，徐志化.基于A(yíng)RM7的無(wú)紙記錄儀的U盤(pán)讀寫(xiě)方法[J].自動(dòng)化儀表, 2006,27(1): 22-24.
[2]  劉曄波，朱欣華. SL811H/S在基于A(yíng)RM7的嵌入式硬件平臺中的應用[J] .測控技術(shù),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(shù)的MP3播放器的研究與設計[J] .測控技術(shù),2004,32(增刊): 193194.