基于嵌入式文件庫的嵌入式MP3播放器設計

0 引言

近幾年來，隨著數(shù)字技術的發(fā)展，人們對MP3播放器的要求越來越多元化，制造商在MP3播放器的選型、設計、開發(fā)、附加功能和適用領域等方面做了很多努力，設計了多種方案。在處理器速度越來越快、存儲容量越來越大的趨勢下，產(chǎn)品中數(shù)據(jù)的存儲組織形式和存儲器設置需要進行高效合理管理，這正是文件系統(tǒng)的功能。

而開源軟件項目嵌入式文件庫（Embedded FlieSystemLibrary,EFSL），依靠其內(nèi)存需求小、移植簡單、完全免費等優(yōu)點，作為嵌入式文件系統(tǒng)，很適于解決小型單片機存儲空間管理與功能擴展的問題。本文基于EFSL文件系統(tǒng)以及ARM 平臺設計一款新型的嵌入式MP3播放器，具有一定的實用價值。同時為單片機擺脫操作系統(tǒng)束縛，實現(xiàn)單片機多媒體應用提供一種可行性參考方案。

1 硬件設計

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示，整個硬件系統(tǒng)以PHILIPS公司ARM7-TMDI內(nèi)核的LPC2148為核心處理器，分別控制VS1003解碼模塊、SD卡接口模塊、USB接口模塊和人機交互功能模塊。

圖1 MP3播放器的硬件結構框圖

1.1 主控芯片

LPC2148是支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S 微控制器，內(nèi)嵌512 KB 高速FLASH存儲器，因其功能強大，便于系統(tǒng)以后的升級。

本系統(tǒng)中暫時只用到USB,SPI,SSP接口功能和ADC功能，其他功能的使用待擴展而定。解碼模塊VS1003內(nèi)部集成有VS_DSP處理器、立體聲音頻DAC和立體聲耳機放大驅(qū)動器等。由于解碼與控制芯片分離，所以音質(zhì)好，控制也比較簡單。LPC2148通過其SPI接口對VS1003進行控制。

1.2 顯示模塊

顯示模塊采用VGS12864E,VGS12864E是128×64行點陣的OLED單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內(nèi)置64×64的顯示數(shù)據(jù)RAM,其中的每位數(shù)據(jù)對應于OLED屏上一個點的亮、暗狀態(tài)；其指令系統(tǒng)與液晶顯示驅(qū)動控制器HD61202兼容。本系統(tǒng)通過模擬時序的方式用8位I/O口與OLED模塊8位數(shù)據(jù)總線D0~D7相連，再通過3位I/O口與液晶的指令控制或數(shù)據(jù)操作位RS、讀寫控制位R/W 和使能控制位E相連的方式來控制OLED模塊。

1.3 存儲模塊

采用SD卡作為存儲介質(zhì)，其優(yōu)點是容量大、體積小且防振。歌曲全部存儲在SD卡中，SD卡工作于SPI模式。通過將LPC2148的SSP設置成SPI功能與SD卡相連接。同時，芯片的其他兩個I/O 口分別設置成卡完全插入到卡座中檢測引腳和卡是否寫保護的檢測引腳。

2 軟件設計

播放器采用四層結構來實現(xiàn)其功能。軟件層次結構如圖2所示。采用模塊化的主要目的是方便實現(xiàn)模塊移植性。

圖2 播放軟件層次結構

2.1 開發(fā)環(huán)境搭建

開發(fā)環(huán)境主要是建立在The Rowley Cross StudioIDE基礎上進行EFSL 編譯。CrossWorks for ARM1.6 使用GCC 4.1 編譯器。安裝CrossWorks forARM 1.6軟件并導入MP3Player.hzp項目文件。項目文件中已經(jīng)包含了主板中的文件和設備配置文件。

Rowley Cross Studio IDE自動加載所有文件后，將顯示所有主要文件夾：Audio Render Driver文件夾（包含了DAC音頻處理相關代碼）、Demo Player文件夾（主要模塊，可根據(jù)需求對其進行配置和修改）、EFSL文件夾（保存了EFSL嵌入式文件系統(tǒng)，通過此文件系統(tǒng)可以用播放器軟件對MMC存儲卡中的MP3文件進行讀寫操作）、EFSL Driver文件夾（保存存儲設備基本讀寫操作驅(qū)動程序）、Libmad文件夾（主要編碼文件，可根據(jù)需求改變相關代碼以滿足Libmad配置要求）。

2.2 文件系統(tǒng)配置與編譯功能模塊

文件系統(tǒng)配置與編譯功能模塊進行軟件配置和文件系統(tǒng)編譯。

2.2.1 設置項目文件路徑

通過命令行工具，找到項目文件和包含文件。其路徑為：

在ARM Flash Release和ARM Flash調(diào)試選項窗口的預處理選項卡配置文件中添加MP3Player項目。

2.2.2 配置編譯器

由于定點數(shù)字計算量要求非常高，而且擴展的數(shù)字指令集只能在32位上運行，所以代碼編譯也需要32位環(huán)境下進行編譯，同時需要使用到USB存儲器RAM 及其堆棧分配[5].USB RAM 一般情況下不運行在LPC214X環(huán)境下，但Rowley Cross Studio IDE已經(jīng)提供了此硬件設備的初始化。Philips_LPC2148_startup.s創(chuàng)建并放置在MP3播放器項目目錄，以支持USB RAM設備，還需要在代碼中加入堆棧分配代碼到USB DMARAM 的內(nèi)存部分。

2.2.3 Libmad文件配置

Libmad可以在不同的平臺上運行一個庫，并為ARM7提供更好的優(yōu)化。其編譯器同樣需要設置系統(tǒng)運行環(huán)境變量。

2.2.4 配置EFS文件

存放在。MP3Playerefslinc目錄下的debug.h文件支持半主機調(diào)試功能。通過相關代碼可以設置所有調(diào)試消息并通過JTAG調(diào)試器的I/O終端窗口進行顯示。通過。MP3Playerefslconf下的config.h配置文件，可以設置RAM 內(nèi)存使用水平和緩沖區(qū)大小。

2.2.5 配置系統(tǒng)文件

由于文件初始化需要良好的LPC2148運行環(huán)境，需要把LPC2148提高到最大性能（60Hz），同時需要開啟PLL功能，設置IRQ 中斷管理定時器為0和VPB分頻器為1.同時Philips_LPC2148_Startup.s必須包括相關預處理編譯指令。要在IDE中設置編譯器指令，只需要在項目瀏覽器窗口選擇Philips_LPC2148_Startup.s的文件，然后選擇預處理選項卡，并填寫預處理器定義此屬性。

2.2.6 編譯批處理文件

要進行編譯批處理文件，需要具備兩個文件，一個是項目文件MP3Player,一個是針對ARM 的RowleyCross Studio文件Rowley Associates Limited.Cross-Works for ARM 1.6文件中有可以自行批處理文件：

build_all_debug.bat,build_all_release.bat.

3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)啟動后，先初始化硬件模塊。由LPC2148讀取SD卡的一些基本信息，如容量、扇區(qū)大小、FAT表及根目錄所在的啟始扇區(qū)等。通過獲得這些信息后，就可以找出SD卡是否有可以播放的音樂文件。若有音樂文件，微處理器將通過SPI總線方式讀出該文件的音頻信息，并將歌曲的碼流信息送入到VS1003芯片中，通過VS1003芯片解碼以及其內(nèi)含的高質(zhì)量的立體DAC和耳機驅(qū)動電路，實現(xiàn)MP3歌曲的播放功能，軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程圖

4 調(diào) 試

Main.c文件（源代碼略）顯示MP3播放器的工作過程。init_IO（）函數(shù)LPC2148定時器0進行初始化，使之產(chǎn)生周期性的中斷，并啟動了一些數(shù)據(jù)結構。周期性中斷速率要與解碼器數(shù)據(jù)流一樣，然后由efs_init（efs,″″）進行MP3文件調(diào)用，若找不到文件則會通過JTAG interface 接口向CrossStudio IDE 傳入Could not open filesystem參數(shù)，否則正常顯示文件信息。其文件處理結果顯示如圖4所示。通過調(diào)試顯示信息可知能正常顯示文件信息。另經(jīng)過實物制作并測試，此MP3播放器能流暢播放SD 卡中的MP3文件，驗證了本設計是正確可行的。

圖4 調(diào)試終端顯示信息

5 結語

本文基于開源軟件項目EFSL設計了一款MP3播放器，介紹了播放器系統(tǒng)的硬件架構和軟件架構以及EFSL相關碼源移植和修改。通過CrossWorks for ARM 1.6軟件調(diào)試，驗證了設計的可行性。整個設計體現(xiàn)了EFSL碼源移植簡單、配置方便的優(yōu)點。