《基于单片机的音乐播放器设计与实现》8400字（论文）

基于单片机的音乐播放器设计与实现内容提要近些年，全球的信息化进程大幅加速，数码时代悄悄来临，电脑技术的飞速发展导致了电子产品的更新，同时，因特网的频宽和用户对数字娱乐的要求，也让多媒体和其他设备的发展迅猛。融合MP3优势和MP3特性的消费类电子设备正日益成为消费者关注的焦点。人民的生活水准日益增长和嵌入式技术的发展，消费者对音乐的关注也跟随着改变。目前的同类型的设备功能单一，用户体验较差差，价格较为低廉，因此，开发并发展具有良好功能的用户界面，并能实现FLAC无损的解码、多功能的MP3播放器。不仅有实际应用价值，而且还有很大的应用空间。在智能家庭和其它的智能声音互动装置中，MP3播放机可以用来播放音频或语音。本文所研制的音乐播放器，采用STM32F103ZET6为主要控制单元，以可充式的锂离子电池为主要供电方式，选择合适降压模块，为各个模块提供电压。VS1053用于MP3的音质译码，并利用触控屏幕来控制播放/暂停、切换、音量大小等。MP3播放机的音频文件储存在MicroSD卡中，要将FATFS文件植入到SD卡中，然后用FATFS文件系统进行管理，将音乐的播放信息放在TFTLCD上进行即时的显示，从而使MP3播放机的全部功能得以发挥。最后，对整个系统进行了综合检测。经试验，该控制方案的各项性能指标都满足了设计的预期要求。具有较强的移植能力和较高的可用性，能够满足用户需求。关键词STM32触摸屏MP3播放器VS1053模块目录TOC\o"1-3"\h\u内容提要 I第一章绪论 11.1研究背景及意义 11.2研究现状分析 11.3论文结构 2第二章系统整体设计与关键技术 32.1功能分析 32.2系统整体设计 32.3音频编解码 32.4本章小结 4第三章系统硬件设计 53.1控制核心 53.2触摸显示屏 63.3音频编解码 73.4SD卡硬件电路 83.5电源设计 93.6本章小结 9第四章系统软件设计 114.1整体框架 114.2SD卡文件操作的实现 124.3VS1053解码驱动程序 134.4TFTLCD驱动设计 14第五章系统测试 165.1电源电路测试 165.2程序下载电路测试 165.3音频播放功能测试 165.4本章小结 17第六章总结与展望 18参考文献 19第一章绪论1.1研究背景及意义近些年，电脑技术和数码音乐的蓬勃发展使得更多喜欢听歌的人开始使用电脑上的多种播放设备，享受到更多的歌曲。音乐播放机是一款能够播放各类音乐的播放机，包括MP3、WMA、MP4等多种形式的播放机。该系统具有良好的人机交互性能，易于使用，能很好地适应普通使用者对音乐的鉴赏要求。尽管目前市面上的主流音乐播放器都能为广大群众带来很好的服务，但它们的缺点主要有：大部分都是在电脑上，它们的应用都离不开电脑，使用者需要熟练使用计算机技术；大部分的播放器都是用有损坏的音频文件进行压缩，与非破坏性的音乐档案相比，它们的音乐质量有很大的差别。QQ音乐是由腾讯开发的一款免费的音乐播放设备，它能够为广大的使用者提供便捷的在线播放、优质的音乐资源等功能。已经是目前流行的流行音乐应用程序。尽管这个应用程序都具有很好的性能，能够为广大的听众提供良好的在线收听服务，但是它的缺点也很突出：大多数的音乐档案都是通过互联网来下载的；优质的歌曲通过付费获取，质量差，使得一般的使用者难以得到高质量的音乐[1]。传统的以微控制器为核心的播放机可以实现多种形式的音乐文件的功能，在人们的日常工作中得到了越来越多的使用。在大学校园里，有很多的播放机，比如上课铃声，早起铃声，中午广播等都可以变成好听的音乐。它技术成熟，性价比高，但是也有着功能简单，硬件利用率低等问题。在单片微型计算机的基础上，采用单片微型计算机技术实现音乐播放，是目前单片微型计算机技术的研究之一。MP3播放机是一种微型的数码音频装置，其功能是将MP3文件存储、解码、播放。这款产品让原本只能在电脑上播放的歌曲，现在可以随身携带，随时随地收听。MP3尽管是一种低频的音效，但是它能很好地保留原有小型镭射盘的音效，音质好，容量小。自从2010之后，智能电话就进入到了我们的生活中，随着智能电话的普及，很多用户都会选择使用专门的播放器来听歌。尽管MP3已经从一个独立的产品中销声匿迹，但随着社会的发展，尤其是对5G技术的不断深入，通信和传播的速度都大大提高，人类将步入一个任何物品可以互联的世纪，也就是“互联网”。在互联网的今天，人们对各种智能装置的需求越来越大，尤其是语音的交流，这就是语音的传播。采用单片微型计算机开发MP3播放器，可以很容易地将MP3播放器植入其它器件中，为各个行业提供了一种新的应用。1.2研究现状分析当前，在移动MP3的应用中，存在着以下的方案：采用美国ATMELAT89C51SND1C为核心,SAMSUNG公司Flash卡K9F5608为外存储器，用于将待播放的音乐进行储存[2]。在AT89C51原有的功能上，添加了MP3解码、IC/PCM的音频输出、USB1.1控制模块等多种接口。由于AT89C51SNDIC只支援USB1.1技术规格，因此其读取/写入速度比USB2.0要低。AT89C51SND1C它的运算速度和外部设备都是有限制的，所以在缓存过程中会出现卡滞现象，造成播放机的音频不连贯，很难再进行新的功能扩充，而且它的性能比较简单。采用NXP的ARM7的LPC2148与MP3解码器进行SD卡中的音频文件的译码[3]。本方法不仅价格低廉，而且在音频质量上也取得了很好的效果，但是它并没有实现非破坏性的译码，使用一般的LCD屏幕也有一些缺点。采用Linux作为嵌入式系统，S3C2440作为核心处理器[4]。构造一个声频播放装置7。这个方法利用madplay来对声音档案进行软件译码。该体系结构能够对各种声音进行译码，在进行软件译码的同时对存储容量要求很高，为了确保译码的实时性这就需要较快的处理速度，但是会导致产品生产费用较高。鉴于当前MP3播放机的发展方向，目前的MP3播放方案功能单一、用户体验差、价格低廉等问题，本论文着重从改善音质、优化用户体验、提高用户体验等方面进行了深入的讨论。1.3论文各章节安排按照本课题要实现的目标，做出以下安排：第一章：绪论。阐述本文的各种现有技术背景，明确提出MP3的重要性，并对现有国内国外技术的研究进展、技术状况做出详细分析，并进行对比，给出了全文的主要工作和章节的编排。第二章:整体结构。首先论述了系统整体设计，然后比较分析了不同的音频译码方式。第三章:系统的硬件。本章对各模块电路做了更深层次的分析，尤其对触摸显示屏、音频解码电路、存储电路、供电电路做出了深入的研究。第四章:系统的软体的开发。本章对系统的工作结构进行了较为详尽的描述，着重于外围内存驱动，音频解码驱动。第五章:系统测试。对其硬件和各个应用程序的功能进行了检测，并对相关的数据进行了分析。第六章:结论与前景。对本文研究的进展和结果进行综合的概括，并提出本次研究的不足。第二章系统关键技术与整体设计2.1功能分析本次设计选用STM32F103ZET6对MP3播放器整体进行控制,MP3播放机的音频文件存储在MicroSD卡中，存储卡中的文件被语音编解码模块读取并解码，最后播放出来，同时触摸控制屏来实现音乐的开始和停止、更换歌曲、调节声音高低等功能，显示屏即时显示出音乐的播放信息，从而使MP3播放机的全部功能得以发挥。2.2系统整体设计MP3是一种带有微型特殊功能的内置装置，包括SD卡，显示器（LCD)，微控制器以及音频信号译码器等。MP3播放器系统整体框图如图2-1：图2-1MP3播放器系统模块框图该设计方案主要由STM32F103ZET6芯片作为主处理器，利用FATFS文件系统对SD卡内MP3的音乐进行数据处理，微控制单元将存储卡内的音乐数据传输到音频解码芯片中，音频解码芯片不仅具备解码的功能，还有DAC电路和耳机驱动线路，达到音乐播放效果的高品质和立体性。采用2.8英寸TFT液晶显示屏来显示播放的内容，它不仅可以通过按键控制MP3播放机，还可以通过触摸屏来控制播放速度、播放进度、播放歌曲、播放/暂停等功能。2.3音频编解码当前，解码方式主要有两种：一种是利用嵌入式系统的软解码，将MP3进行解析实现播放，另一种则是选择专用的音频解码芯片和外部设备，由主处理器来完成解码。第一种方法：主要是利用Libmad解码，但是算法复杂，目前的研究主要集中在优化解码算法，通过优化C代码、汇编代码，降低运算量来减小系统功耗[5]。不过，这对处理器的计算量很大，而且ARM7在解码MP3的时候，处理速度并不快，而且还需要一个DAC来完成。第二种方法：现在，有的声音解码芯片已经具备一些较好的特点,具有多种多样的声音的调节功能,能够支持较多格式的歌曲文本。选择这个方案能够有效降低解码过程对主控制器的站占，使播放声音畅通，也有利于新功能的扩充[5]。所以，本文选用第二种方法。MP3的解码器有VS100X和STA01X两类,VS系列具备DAC的功能，可以实现各种译码，而STA由于需要添加DAC，所以比较麻烦。对比后，本方案选用VS1053，它可以支持MP3,WMA,WAV,MIDI,DAC等多种格式。此外，还可以调整音量、高、低等，最关键的是，还具备MIC的特性，必要时可以进行录制。这个特性可以在未来的扩充中使用。2.4本章小结本文通过对目前常用的两种音频解码方式进行了简单比较，并从需求方面进行了分析。其工作重点是：1.经分析比较发现，采用的硬件译码方法具有高性能、音质高、功.耗低等优点，译码时对CPU的占用少，播放的音质顺畅，便于系统的应用程序多元化，因此本文采用了一种硬件译码方法。2.基于对触摸屏MP3的要求进行了详细的系统结构，由STM32最小系统、触摸显示屏、音频解码、存储、供电五大模块组成，具体的硬件和软件的设计和实施方法将在接下来的两章中具体介绍。第三章系统硬件设计3.1控制单元STM32是一款32比特的处理器，原理图如下图，具有高性能和低功耗特性，它在Cortex-M3核心上做了一定的架构上的改善。STM32系列的性能得到加强，编码的密集程度提高，使其在性能上的中断响应速度显著降低，在相同的环境下，它的功耗也是最小的。同时还提供了一套丰富的外部设备，使其在实际使用方面更加灵活。STM32系列产品因其独特的市场地位和技术的领先地位而受各大厂家的喜爱，适用于工业、医疗、生活等许多不同领域。此次设计的单片机采用了意大利晶圆ST公司STM103ZET632比特的单片机为主要控制器。选择这款芯片并不是因为他价格低廉，而是因为它在F1系列中的接口非常多，而且它的性能非常好，可以在以后将MP3内置到其它的产品中，这样可以增强产品的通用性和扩展能力，STM32F103ZET6的CPU速率为72MHZ，内存容量为1MB，该软件包括电机控制周边设备，CAN与USB的全速度通讯，能很好地适应该系统的需要。图3-1STM32F103ZET6原理图3.2触摸显示屏STM32F103没有任何的触摸屏幕控制器，不过，这款产品能够外接使用一个带有触摸屏幕的LCD组件，例如ALIENTEKTFTLCD组件，从而能实现触摸屏控制。目前手机上最常用两种类型的触控屏:电阻型和电容型。电容式显示屏由人体的感应器来检测触点,一般应用在智能手机、笔记本上,只需轻触即可完成,但成本较高,精度较低,抗干扰性较差;电阻式则是运用压力传感技术对触点加以感应,要求使用直接的应力触点,并使用电阻仪定位触点,价格适中,定位精度高,工作稳定。因为这种触摸屏只能完成音乐的播放和转换，所以它的功能并不多，精度也不高，所以本文采用的是电阻型屏幕。在实际使用中，通过专用的控制芯片来完成对电阻型的触控。该系统采用2.8英寸的LCD触摸屏，具有320x240的清晰度，具有16位真彩色显示功能，并扩展了四行触摸屏控制系统XPT2046。由于电阻器的构造，在按压触摸屏幕时，接触点的X和Y方向的电压发生了改变。XPT2046将接触的电压经过二次数模转换和相对应的运算，来获得触碰位置的坐标。2.8英寸的彩屏界面显示在图3-2中。在3-3中显示了该组件的外部视图。图3-2TFTLCD原理图图3-3TFTLCD模块外观图3.3音频编解码通过对两种解码方法的对比，选用硬件解码方法。VS1053是一款独立芯片，它除了对MP3等传统的音乐格式解码外，还加入了FLAC的无伤害解码，具有功能强、速度快、节能等特性。利用VS1053来分析从SD卡中读出的MP3的声音资料，然后经过D/A转换后，最后播放出音乐。它和核心控制器之间是串行通信，利用SPI总线来实现这一通信。原理图如下图3-4，VS1053接收来自STM32F103的指令及MP3的数据，是通过采用串行命令接口和串行数据的接口，通过该引脚的状态来判断处在传送状态的接口，通过一些特殊写入的寄存器来达到这个功能的。图3-4VS1053原理图图3.5VS1053模块3.4SD卡硬件电路许多微处理器都要求大量的存贮器来储存资料。现在最常见的有U盘、FLASH、SD卡等.各有千秋，经过对比，SD卡是最好的，它更适用于单片机系统，因为SD芯片具有很大的存储能力，可以提供SPI/SDIO的功能，并且具有各种大小（SD卡和TF卡），可以适应各种应用需求。该方案选用了SanDisk公司开发的一种新的闪存芯片，目前最大存储容量达到128GB，因此在实际使用中，存储容量大，数据读写速率高，体积小，安全性好。STM32F103ZET6内置SDIO外部接口，SDIO接口可以对各种存储器件进行扩充，例如SD卡、MMC卡等。SD卡是一种能够确保数据的安全传输、便于再格式的卡，其操作简便、灵活。SD卡可用于两种工作接口：安全数字输入输出接口和串行外设接口[6]。本设计选用第一种。图3-6是它的原理图。SD卡能够根据指令执行多个区块或单一区块的读取与写入。下发指令操作SD卡进行读写。它的主要引脚及功能：CLK：时钟信号，在一个时钟循环中传送一个指示或一个数据位，频率从0到25MHz不等，但是存储卡的总线管理可以随意地生成0到25MHz的范围。CMD：双向指令和回复线，指令是从主机到存储卡，对之前指令的回答可以是单卡也可以是一切卡。图3-6SD卡原理图3.5电源设计本设计中为保证每一模块的电压都要满足要求：首先每个端口的电压要达到标准；其次，选用的电源它要有足够的电能来驱动工作设备，尤其是电流，并保证输出的电压准确度。针对特定的应用，选用不一样的电压，确保整个电路长期工作的安全与稳定。因为锂电池具有众多优点，比如便捷、轻巧、绿色等等，更重要的一点是它还方便人们出行携带而且还不占用太大的空间[7]。所以整个系统的电源选择12V锂电池。图3-7LM2596S原理图各个模块的供电电压所需不同，STM32、液晶显示屏、SD卡供电电压是3.3V，VS1053是5V，要实现不同的供电电压，选择LM2596SDC-DC可调降压模块，该模块的输出电流是3A，线性及负载调节特性较好。LM2596SDC-DC的输出版本有3.3V、5V、12V三种。本设计选用2个LM2596S，其具体的电路原理图如图3-7所示。其中，一个LM2596S的VOUT的输出电压为5V,另一个LM2596S的VOUT的输出电压为3.3V。3.6本章小结根据第二章介绍的体系结构，对各个模块的主芯片选择及电路的设计进行了较为详尽的阐述，给出了以STM32为核心的MP3播放机的硬件部分，为下一步的开发提供了一个硬件支持。具体工作如下：采用增强的STM32F103ZET6为核心，具有高性能、低功耗的特点，并具有大量的外部设备，可以对其他元件进行有效的控制支持；为了使系统各项性能达到所需，而且同时还满足系统的成本尽可能低，确定合适的显示屏、音频解码/编码、SD卡的选型。供电电源选择为锂电池，要达到不同模块的供电所需，外加两个降压模块，确保系统工作的安全和稳定性。第四章系统软件设计4.1整体框架在软件开发过程中，主要包括主程序模块、触屏程序模块、音乐播放模块、屏幕程序模块等。在这些软件中，各软件组件互相连接，使得整体件能够井然有序地工作。首先启动系统串口、时钟、显示屏等的初始化，主程序再启动显示功能，最后进入系统不断执行的过程。在这个体系不断执行过程中，通过FATFS文件系统，SD卡中一个有效的音乐文件轨迹会被系统读取，再把它储存在指定的内存当中，在播放音乐文件时，会按照存储的音乐路径，开启相应的音乐文档，然后传送到VS1053进行解码，再由VS1053进行音频输出[8]。在播放音乐的时候，触控屏幕会监控有无人按压，在触控屏幕上，会出现对应的触控区域，并按照触控区域来完成对应的操作，如果在此过程中没有触控屏幕，那么在播放完毕后，将回到主周期起点进行新的周期。图4-1音乐播放器整体流程它完成的功能有音乐切换，调整音量，歌曲目录显示，歌曲的停顿和播放。STM32F103ZET6首先将歌曲文件从SD卡中读出，然后储存在指定的内存空间中。VS1053音频译码器从STM32中读出的声音信号经语音译码处理后，再由VS1053音频解码，最后输出MF3的声音信号。4.2SD卡文件操作的实现SD卡首先需要进行参数设置，主要步骤见图4-2图4-2初始化步骤完成SD的初始化后，开始读写数据。读写数据的实现是由不同的命令提示符来完成，读取数据时，由命令提示符17来实现；写数据时，由命令提示符24实现[9]。通信过程如图4-3所示:图4-3SD卡读写流程图4.3VS1053解码驱动程序此次的系统采用VS1053语言进行了解码。首先，必须对VS1053进行初始化，包括VS1053连接的IO端口，并对软件和硬件进行重置。在VS1053的初始化结束之前不能重置，这里的重置可以分成软件重置和硬件重置。确认复位完毕后，就要设置音频解码器的音量和时钟，然后可以启动对音频档案的写操作。要依据请求信号来输入数据。图4-4VS1053流程图音乐播放器的暂停播放、声音调节等功能可以通过驱动函数来完成。具体的驱动函数包括：初始化函数、软件复位函数、音量设置函数。4.4TFTLCD驱动设计显示屏作为人机交互界面主要完成显示音乐的播放信息、开始/暂停、切换、调节音量等目标功能。它需要做的就是:初始化显示屏、读取坐标等等。触摸显示屏的初始化如图4-5所示:图4-5显示屏流程图触摸显示屏的设定过程如下：(1)首先将STM32和TFTLCD组件之间的IO端口进行设定；(2)初始化LCD；(3)显示数字和字符。第五章系统测试5.1电源电路测试将锂电池接入主控板，开启电源开关；第一步先测量锂电池电压，测得电压12V；第二步测量不同模块输出电压，用万用表测量降压模块电压输出，通过测量得出3.28V和5.48V，说明12V→3.3V、12V→5V，可以得出降压电路正常工作。5.2代码下载电路测试在电脑端安装上CH340/341驱动后，把STM32连接到电脑的通信端口，并开启“MCUisP”，“搜索串口”键，可以找到相应的“USB-SERIALCH340”，并把它设定为256000，见图5-1。安装好了“安装”后，按“启动编程（P）”键，就可以把特定的文件放入主控制核心的中，直到屏幕上给出达到百分之百的指示。出现图5-3的界面，我们就可以知道代码下载能够正常工作，通过它我们也就知道了主处理器工作能够正常完成。图5-1代码下载电路5.3音频播放测试见下图5-2所示。显示屏幕能能够显示出当前播放的音乐相关内容：比如乐曲的名字、播放的进度、声音大小的加减、乐曲的切换、音乐的暂停/播放的标识符合，都能达到想要实现的效果，在编解码模块的接口连上耳机，戴上耳机听音乐来检测音乐文件的播放效果，可以从耳机中正常听到音乐的播放，且音质无损，达到预期效果。图5-2音乐播放器界面5.4本章小结本章按照建立的系统的各个性能参数，对所完成的各个模块进行了测试，并给出了以下几个方面的测试。1．电源以及降压模块的测试，看是否满足每一模块所需电压。2．触摸屏幕测试，触摸暂停/开始、切换、音量加减位置，检测触摸准确、灵敏。3.检测音乐播放功能正常，输出的音质无失真;从总体表现及售价等方面来看，本文所开发的MP3它具有突出的优点和潜在的市场价值。第六章总结与展望选用STM32F103ZET6作为主控制器，MP3的音频译码选择VS1053，触摸显示屏用来控制乐曲切换、开始停止、声音大小和实时地显示音乐播放信息。实现了MP3的完整功能。这一总的设计如下：与51单片机比较，72MHZ的STM32F103ZET6芯片可以充分的实现音频播放的要求。32位的处理器内置大量的资源，可以直接使用现有的库功能进行程序设计，非常适用于小型的嵌入式系统。该方案除了可以用按键控制外采用，也可通过触摸屏式人机界面来控制，与传统的触摸按钮相比较，使用起来十分便捷。本文所开发的MP3，已基本满足了任务书所规定的所有功能，并可预见5G技术的发展及物联网的来临，将是目前的主要应用领域。因为时间的原因，本次设计仍有不足，尚需改进，改进目标如下:页面操作更加精准化。对现有的图形界面进行改进，比如：对颜色和窗口的影响进行了优化，可以添加窗体的控件，使得用户可以进行更多的个人设置。2．适当增加软件。比如，增加电子相册、电子书籍等贴近生活的软件。3．适当扩展新的功能。比如，增加蓝牙模块，使它可与智能仪器互联，达到无线传输文件数据的目的，更加方便简洁。这个多用途MP3，拥有很多的优点，不过，它还有很多可以改进的地方，比如录音，画图，遥控等等，都可以在家里使用。展望未来，互联网与电脑技术不断地发展与进步，智能电器必然会成为未来的主流，这篇文章仅仅是对智能电器的一个小小的尝试，在未来，它必然会具备更多的性能，而在智能电器方面，它的发展任重而道远。参考文献[1]刘晓明.家庭数字音乐播放器的设计与实现[D].北京交通大学,2012.[2]徐阳.基于AT89C51SND1C单片机的MP3音乐播放器设计[J].长江大学学报(自科版),2015,12(25):34-37.[3]AshiqVMehta，PrashantRKharote.ARM7BASEDMP3PLAYER[J].InternationalJournalofEngineeringResearchandApplications，2014(2):1-5.[4]邓娟.基于嵌入式系统的MP3播放器的软件设计及实现[D].武汉轻工大学,2014.[5]王深.基于STM32的触摸屏MP3播放器设计[D].福州大学,2016.[6]周江.STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数字技术与应用,2015(11):1.[7]刘晓宇.锂电池充电器芯片的设计与研究[D].复旦大学,2012.[8]周晶.移动端音乐播放器系统设计与音频处理算法研究[D].西安建筑科技大学,2019.[9].张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社，2010.[10]