以優盤為存儲介質的MP3播放器設計

以優盤為存儲介質的MP3播放器設計

提出一種以優盤為存儲介質的MP3播放器的設計方案，并論述其軟硬件設計方法。處理器采用ARM7芯片S3C44B0X，USB主控芯片采用SL811HS。在SL811HS擴展主模式下，遵從USB1.1通信協議、海量存儲設備類協議和FAT16/FAT32文件系統規范，實現對優盤的讀寫，以MP3硬解碼芯片VS1011B播放MP3歌曲。本系統的設計方法可為欲以優盤或USB移動硬盤為存儲介質的其他工業或消費類電子產品的設計提供有益的參考。

關鍵詞 優盤 MP3播放器 ARM SL811HSV S1011B

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：

　?、? MCU內置硬解碼模塊。典型的芯片有Atmel公司的AT89C51SNDI等芯片。
　?、? 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。
　?、? 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展，優盤已經成為一種大眾化的電子產品被廣泛使用，但優盤一般只是作為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，外擴優盤讀寫電路，使存儲介質使用普通的優盤。這樣可以解決普遍使用的優盤只能作為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、MCU為核心的消費類電子產品或工業產品中，將優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、儀器儀表、無紙化數據記錄儀、數碼相機等產品中添加優盤外設功能提供有益的參考。

1 ?硬件設計

　　S3C44B0X是Samsung公司開發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。本系統中ARM讀/寫優盤原理框圖如圖1所示。

圖1? 優盤讀/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片內狀態寄存器來得知是優盤插入或是拔出。對狀態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。

圖2? 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）的規范。這個類規范包括4個獨立的子類規范：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。其中優盤屬于海量存儲設備，遵循bulkonly傳輸協議，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/寫優盤的軟件結構。

圖3? 軟件總體結構圖

2.1.1? USB物理層協議的實現

　　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
　　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);
　　//允許數據發送
　　SL811Write(EP0Control,0x01);
　　SL811Write(IntEna,0x20);
　　//清中斷
　　SL811Write(IntStatus,INT_CLEAR);
}

2.1.2? USB設備協議層的實現

　　該部分實現對優盤扇區的直接讀寫，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：epBulkRcv
　　函數功能：實現bulkonly協議中的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文件系統的結構，實現對文件的讀、寫、創建、刪除等操作。優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（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）。

　　在實現對文件的讀/寫時，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，即可對此文件進行相應的處理。其具體實現涉及FAT文件系統的結構，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盤讀取MP3文件數據，當VS1011B的數據緩沖區需要數據時，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]

　?、??拉低nRST1。
　?、? 等待DREQ引腳信號變高。
　?、? 寫寄存器MODE的參數，包括正確設置SM_SDINEW和SM_SDISHARED位。
　?、? 若時鐘數率非24.576 MHz，應設置SCI_CLOCKF。
　?、? 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11 000個時鐘后才可以操作高速的SPI通信。
　?、? 設置音量寄存器SCI_VOL。
　?、? 若希望加強低音，可設置寄存器SCI_BASS。
　?、? 從優盤讀取一首MP3歌曲文件，并開始傳送音樂數據。應注意數據傳送的規則，DREQ信號是用來表示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，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個字節的MP3音樂數據。
　?、? 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盤上，實現實時歌詞顯示等功能。

　　雖然這里給出的只是優盤在嵌入式系統中的一個應用示例，但在此基礎上很容易演變出別的功能。例如對本系統稍加改變，即可把優盤換成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。