第四十九章 音乐播放器实验

       前几年，MP3曾经风行一时，几乎人手一个。如果能自己做一个MP3，我想对于很多朋友来说，是十分骄傲的事情。ALIENTEK战舰STM32开发板自带了一颗非常强劲的MP3解码芯片：VS1053，利用该芯片，我们可以实现MP3/OGG/WMA/WAV/FLAC/AAC/MIDI等各种音频文件的播放。本章，我们将利用战舰STM32开发板实现一个简单的MP3播放器。本章分为如下几个部：

49.1 MP3简介

49.2 硬件设计

49.3 软件设计

49.4 下载验证

49.1 VS1053简介   

VS1053是继VS1003后荷兰VLSI公司出品的又一款高性能解码芯片。该芯片可以实现对MP3/OGG/WMA/FLAC/WAV/AAC/MIDI等音频格式的解码，同时还可以支持ADPCM/OGG等格式的编码，性能相对以往的VS1003提升不少。VS1053拥有一个高性能的DSP处理器核VS_DSP，16K的指令RAM，0.5K的数据RAM，通过SPI控制，具有8个可用的通用IO口和一个串口，芯片内部还带了一个可变采样率的立体声ADC（支持咪头/咪头+线路/2线路）、一个高性能立体声DAC及音频耳机放大器。

VS1053的特性如下：

●支持众多音频格式解码，包括OGG/MP3/WMA/WAV/FLAC（需要加载patch）/MIDI/AAC等。

●对话筒输入或线路输入的音频信号进行OGG（需要加载patch）/IMA ADPCM编码

●高低音控制

●带有EarSpeaker空间效果（用耳机虚拟现场空间效果）

●单时钟操作12..13MHz

●内部PLL锁相环时钟倍频器

●低功耗

●内含高性能片上立体声DAC，两声道间无相位差

●过零交差侦测和平滑的音量调整

●内含能驱动30 欧负载的耳机驱动器

●模拟，数字，I/O 单独供电

●为用户代码和数据准备的16KB片上RAM

●可扩展外部DAC的I2S接口

●用于控制和数据的串行接口（SPI）

●可被用作微处理器的从机

●特殊应用的SPI Flash引导

●供调试用途的UART接口

●新功能可以通过软件和8 GPIO 添加

VS1053相对于它的前辈VS1003，增加了编解码格式的支持（比如支持OGG/FLAC，还支持OGG编码，VS1003不支持）、增加了GPIO数量到8个（VS1003只有4个）、增加了内部指令RAM容量到16KiB（VS1003只有5.5KiB）、增加了I2S接口（VS1003没有）、支持EarSpeaker空间效果（VS1003不支持）等。同时VS1053的DAC相对于VS1003有不少提高，同样的歌曲，用VS1053播放，听起来比1003效果好很多。

VS1053的封装引脚和VS1003完全兼容，所以如果你以前用的是VS1003，则只需要把VS1003换成VS1053,就可以实现硬件更新，电路板完全不用修改。不过需要注意的是VS1003的CVDD是2.5V，而VS1053的CVDD是1.8V，所以你还需要把稳压芯片也变一下，其他都可以照旧了。

VS1053通过SPI接口来接受输入的音频数据流，它可以是一个系统的从机，也可以作为独立的主机。这里我们只把它当成从机使用。我们通过SPI口向VS1053不停的输入音频数据，它就会自动帮我们解码了，然后从输出通道输出音乐，这时我们接上耳机就能听到所播放的歌曲了。

ALIENTEK战舰STM32开发板，自带了一颗VS1053音频编解码芯片，所以，我们直接可以通过开发板来播放各种音频格式，实现一个音乐播放器。战舰STM32开发板自带的VS1053解码芯片电路原理图，如图49.1.1所示：

 

 

图49.1.1 ALIENTEK 音频解码模块原理图

 

       VS1053通过7根线同STM32连接，他们是：VS_MISO、VS_MOSI、VS_SCK、VS_XCS、VS_XDCS、VS_DREQ和VS_RST。这7根线同STM32的连接关系如表49.1.1所示：

 

 

表49.1.1 VS1053各信号线与STM32连接关系

       其中VS_RST是VS1053的复位信号线，低电平有效。VS_DREQ是一个数据  请求信号，用来通知主机，VS1053可以接收数据与否。VS_MISO、VS_MOSI和VS_SCK则是VS1053的SPI接口他们在VS_XCS和VS_XDCS下面来执行不同的操作。从上表可以看出，VS1053的SPI是接在STM32的SPI1上面的。

       VS1053的SPI支持两种模式：1，VS1002有效模式（即新模式）。2，VS1001兼容模式。这里我们仅介绍VS1002有效模式（此模式也是VS1053的默认模式）。表49.1.2是在新模式下VS1053的SPI信号线功能描述：

 

 

表49.1.2 VS1053新模式下SPI口信号线功能

       VS1053的SPI数据传送，分为SDI和SCI，分别用来传输数据/命令。SDI和前面介绍的SPI协议一样的，不过VS1053的数据传输是通过DREQ控制的，主机在判断DREQ有效（高电平）之后，直接发送即可（一次可以发送32个字节）。

       这里我们重点介绍一下SCI。SCI串行总线命令接口包含了一个指令字节、一个地址字节和一个16位的数据字。读写操作可以读写单个寄存器，在SCK的上升沿读出数据位，所以主机必须在下降沿刷新数据。SCI的字节数据总是高位在前低位在后的。第一个字节指令字节，只有2个指令，也就是读和写，读为0X03，写为0X02。

       一个典型的SCI读时序如图49.1.2所示：

 

 

图49.1.2 SCI读时序

       从图49.1.2可以看出，向VS1053读取数据，通过先拉低XCS（VS_XCS），然后发送读指令（0X03），再发送一个地址，最后，我们在SO线（VS_MISO）上就可以读到输出的数据了。而同时SI（VS_MOSI）上的数据将被忽略。

       看完了SCI的读，我们再来看看SCI的写时序，如图49.1.3所示：

 

 

图49.1.3 SCI写时序

       图49.1.3中，其时序和图49.1.2基本类似，都是先发指令，再发地址。不过写时序中，我们的指令是写指令（0X02），并且数据是通过SI写入VS1053的， SO则一直维持低电平。细心的读者可能发现了，在这两个图中，DREQ信号上都产生了一个短暂的低脉冲，也就是执行时间。这个不难理解，我们在写入和读出VS1053的数据之后，它需要一些时间来处理内部的事情，这段时间，是不允许外部打断的，所以，我们在SCI操作之前，最好判断一下DREQ是否为高电平，如果不是，则等待DREQ变为高。

       了解了VS1053的SPI读写，我们再来看看VS1053的SCI寄存器，VS1053的所有SCI寄存器如表49.1.3所示：

SCI寄存器
寄存器	类型	复位值	缩写	描述
0X00	RW	0X0800	MODE	模式控制
0X01	RW	0X000C	STATUS	VS0153状态
0X02	RW	0X0000	BASS	内置低音/高音控制
0X03	RW	0X0000	CLOCKF	时钟频率+倍频数
0X04	RW	0X0000	DECODE_TIME	解码时间长度（秒）
0X05	RW	0X0000	AUDATA	各种音频数据
0X06	RW	0X0000	WRAM	RAM 写/读
0X07	RW	0X0000	WRAMADDR	RAM 写/读的基址
0X08	R	0X0000	HDAT0	流的数据标头0
0X09	R	0X0000	HDAT1	流的数据标头1
0X0A	RW	0X0000	AIADDR	应用程序起始地址
0X0B	RW	0X0000	VOL	音量控制
0X0C	RW	0X0000	AICTRL0	应用控制寄存器0
0X0D	RW	0X0000	AICTRL1	应用控制寄存器1
0X0E	RW	0X0000	AICTRL2	应用控制寄存器2
0X0F	RW	0X0000	AICTRL3	应用控制寄存器3

表49.1.3 SCI寄存器

       VS1053总共有16个SCI寄存器，这里我们不介绍全部的寄存器，仅仅介绍几个我们在本章需要用到的寄存器。

       首先是MODE寄存器，该寄存器用于控制VS1053的操作，是最关键的寄存器之一，该寄存器的复位值为0x0800，其实就是默认设置为新模式。表49.1.4是MODE寄存器的各位描述：

 

 

表49.1.4 MODE寄存器各位描述

       这个寄存器，我们这里只介绍一下第2和第11位，也就是SM_RESET和SM_SDINEW。其他位，我们用默认的即可。这里SM_RESET，可以提供一次软复位，建议在每播放一首歌曲之后，软复位一次。SM_SDINEW为模式设置位，这里我们选择的是VS1002新模式(本地模式)，所以设置该位为1（默认的设置）。其他位的详细介绍，请参考VS1053的数据手册。

       接着我们看看BASS寄存器，该寄存器可以用于设置VS1053的高低音效。该寄存器的各位描述如表49.1.5所示：

表49.1.5 BASS寄存器各位描述

       通过这个寄存器以上位的一些设置，我们可以随意配置自己喜欢的音效（其实就是高低音的调节）。VS1053的EarSpeaker效果则由MODE寄存器控制，请参考表49.1.4。

       接下来，我们介绍一下CLOCKF寄存器，这个寄存器用来设置时钟频率、倍频等相关信息，该寄存器的各位描述如表49.1.6所示：

 

 

表49.1.6 CLOCKF寄存器各位描述

       此寄存器，重点说明SC_FREQ，SC_FREQ是以4Khz为步进的一个时钟寄存器，当外部时钟不是12.288M的时候，其计算公式为：

SC_FREQ=(XTALI-8000000)/4000

       式中为XTALI的单位为Hz。表49.1.6中CLKI是内部时钟频率，XTALI是外部晶振的时钟频率。由于我们使用的是12.288M的晶振，在这里设置此寄存器的值为0X9800，也就是设置内部时钟频率为输入时钟频率的3倍，倍频增量为1.0倍。

       接下来，我们看看DECODE_TIME这个寄存器。该寄存器是一个存放解码时间的寄存器，以秒钟为单位，我们通过读取该寄存器的值，就可以得到解码时间了。不过它是一个累计时间，所以我们需要在每首歌播放之前把它清空一下，以得到这首歌的准确解码时间。

       HDAT0和HDTA1是两个数据流头寄存器，不同的音频文件，读出来的值意义不一样，我们可以通过这两个寄存器来获取音频文件的码率，从而可以计算音频文件的总长度。这两个寄存器的详细介绍，请参考VS1053的数据手册。

       最后我们介绍一下VOL这个寄存器，该寄存器用于控制VS1053的输出音量，该寄存器可以分别控制左右声道的音量，每个声道的控制范围为0~254，每个增量代表0.5db的衰减，所以该值越小，代表音量越大。比如设置为0X0000则音量最大，而设置为0XFEFE则音量最小。注意：如果设置VOL的值为0XFFFF，将使芯片进入掉电模式！

       关于VS1053的介绍，我们就介绍到这里，更详细的介绍请看VS1053的数据手册。接下来我们说说如何控制通过最简单的步骤，来控制VS1053播放一首歌曲。

1） 复位VS1053

这里包括了硬复位和软复位，是为了让VS1053的状态回到原始状态，准备解码下一首歌曲。这里建议大家在每首歌曲播放之前都执行一次硬件复位和软件复位，以便更好的播放音乐。

2） 配置VS1053的相关寄存器

这里我们配置的寄存器包括VS1053的模式寄存器（MODE）、时钟寄存器（CLOCKF）、音调寄存器（BASS）、音量寄存器（VOL）等。

3） 发送音频数据

当经过以上两步配置以后，我们剩下来要做的事情，就是往VS1053里面扔音频数据了，只要是VS1053支持的音频格式，直接往里面丢就可以了，VS1053会自动识别，并进行播放。不过发送数据要在DREQ信号的控制下有序的进行，不能乱发。这个规则很简单：只要DREQ变高，就向VS1053发送32个字节。然后继续等待DREQ变高，直到音频数据发送完。

经过以上三步，我们就可以播放音乐了。这一部分就先介绍到这里。

49.2 硬件设计

本章实验功能简介：开机先检测字库是否存在，如果检测无问题，则对VS1053进行RAM测试和正弦测试，测试完后开始循环播放SD卡MUSIC文件夹里面的歌曲（必须在SD卡根目录建立一个MUSIC文件夹，并存放歌曲在里面），在TFTLCD上显示歌曲名字、播放时间、歌曲总时间、歌曲总数目、当前歌曲的编号等信息。KEY0用于选择下一曲，KEY2用于选择上一曲，WK_UP和KEY1用来调节音量。DS0还是用于指示程序运行状态，DS1用于指示VS1053正在初始化。

本实验用到的资源如下：

1）  指示灯DS0和DS1

2）  四个按键（WK_UP/KEY0/KEY1/KEY2）

3）  串口

4）  TFTLCD模块

5）  SD卡

6）  SPI FLASH

7）  VS1053

8）  74HC4052

9）  TDA1308

这些硬件我们都已经介绍过了，其中74HC4052和TDA1308分别是用作音频选择和耳机驱动，在第四十章，我们已经介绍过。本章，我们使用的VS1053同STM32的连接关系详见表49.1.1。

本实验，大家需要准备1个SD卡（在里面新建一个MUSIC文件夹，并存放一些歌曲在MUSIC文件夹下）和一个耳机，分别插入SD卡接口和耳机接口，然后下载本实验就可以通过耳机来听歌了。

49.3 软件设计

打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹所在的文件夹下新建一个APP的文件夹。在该文件夹里面新建mp3player.c和mp3player.h两个文件。并将APP文件夹加入头文件包含路径。

然后在HARDWARE文件夹下新建一个VS10XX的文件夹，在该文件夹里面新建VS10XX.c、VS10XX.h和flac.h等三个文件。

首先打开VS10XX.c，里面的代码我们不一一贴出了，这里挑几个重要的函数给大家介绍一下，首先要介绍的是VS_Soft_Reset，该函数用于软复位VS1003，其代码如下：

void VS_Soft_Reset(void)

{    

       u8 retry=0;                            

       while(VS_DQ==0); //等待软件复位结束      

       VS_SPI_ReadWriteByte(0Xff);//启动传输

       retry=0;

       while(VS_RD_Reg(SPI_MODE)!=0x0800)// 软件复位,新模式

       {

              VS_WR_Cmd(SPI_MODE,0x0804);// 软件复位,新模式     

              delay_ms(2);//等待至少1.35ms

              if(retry++>100)break;       

       }                  

       while(VS_DQ==0);//等待软件复位结束    

       retry=0;

       while(VS_RD_Reg(SPI_CLOCKF)!=0X9800)//设置VS10XX的时钟,3倍频 ,1.5xADD

       {

              VS_WR_Cmd(SPI_CLOCKF,0X9800);//设置VS10XX的时钟,3倍频 ,1.5xADD

              if(retry++>100)break;       

       }                                                                                          

       delay_ms(20);

}

非常抱歉，由于编辑器篇幅所限，剩下内容，请看附件。