引言
STM32系列微控制器采用ARM公司最新的CortexM3内核[1]。VS1003音频解码芯片为VS10xx系列的第三代产品，是芬兰VLSI Solution 公司生产的单片MP3/WMA/MIDI解码和ADPCM编码芯片[2]。本文采用STM32系列微控制器，结合解码芯片VS1003、SD卡、LCD等外围设备设计并实现了MP3播放器。其主要功能有：播放VS1003支持的所有音频文件，如MP3、WMA、WAV文件，且音质非常好；通过摇杆控制播放上一首/下一首、音量增减等；通过LCD显示歌曲名字和播放状态；本系统还实现了读卡器功能，PC机可通过USB接口直接对开发板上的SD卡进行读写操作，以方便拷贝音频文件。
1 STM32处理器
CortexM3是ARM公司最新推出的基于ARMv7体系架构的处理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特点，专门为嵌入式应用领域设计。
ARMv7架构采用了Thumb2技术，它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解决方案完整的代码兼容性[3]。Thumb2技术比纯ARM代码少使用31%的内存，减小了系统开销，同时能够提供比Thumb技术高出38%的性能。
在中断处理方面，CortexM3集成了嵌套向量中断控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是CortexM3处理器的一个紧耦合部分，可以配置1~240个带有256个优先级、8级抢占优先权的物理中断，为处理器提供出色的异常处理能力。同时，抢占（Preemption）、尾链（Tailchaining）、迟到技术（Latearriving）的使用，大大缩短了异常事件的响应时间。CortexM3异常处理过程中由硬件自动保存和恢复处理器状态，进一步缩短了中断响应时间，降低了软件设计的复杂性[3]。
CortexM3体系架构提出了新的单线调试技术，CortexM3处理器的跟踪调试是通过调试访问端口(Debug Access Port，DAP)来实现的。DAP端口可以作为串行线调试端口（SWDP）或串行JTAG调试端口（SWJDP，允许JTAG或SW协议）使用[3]。其中SWDP只需要时钟和数据2个引脚，实现低成本跟踪调试，避免使用多引脚进行JTAG调试，并全面支持RealView编译器和RealView调试产品[4]。此外CortexM3还具备高度集成化的特点，大大减小了芯片面积，内部集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间，使系统满足下一代产品的控制需求。
STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。
2 VS1003 MP3/WMA音频编解码器
VS1003内部包含1个高性能、低功耗的DSP处理核（VSDSP），1个工作内存，1片可供用户程序使用的5.5 KB RAM，1个串行SPI总线接口，1个高质量的采样频率可调的过采样DAC以及1个16位的采样ADC。VS1003的内部结构如图1所示[2]。
MP3播放过程是STM32通过SPI1接口将数据从SD卡中取出，然后通过SPI2接口送至解码芯片VS1003解码播放。这里解码模块单独使用一个SPI接口，以减小干扰和噪声、提高音质。
3 系统硬件设计
本系统在硬件上分为6个模块： 微控制器STM32F103、解码模块VS1003、存储模块SD卡、控制摇杆Joystick、USB接口和显示屏LCD。系统硬件框架如图2所示。
下面分别介绍系统的存储模块SD卡、解码芯片VS1003与STM32的硬件连接情况。
3.1 SD卡与STM32的连接
该系统使用STM32内部接口SPI1与SD卡进行通信，下面介绍其引脚连接情况。
PE3：低电平有效，连接到SD卡的片选引脚CD/DAT3。SPI在和SD卡进行通信时，需要将PE3拉低才能对SD卡进行操作。
PA7：映射为STM32内部接口SPI1的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，SD卡是从设备。数据流的传输方向是从STM32传输给SD卡。该信号线用于传输一些控制命令来完成SD卡的操作，如读、写等。
PA5：已连接到STM32内部接口SPI1的时钟(SCLK)信号线。可设置SPI的时钟频率来调整读取SD卡数据的快慢。
PA6：已连接到STM32内部接口SPI1的主输入从输出(MISO)信号线。数据的传输方向是从SD卡传输给STM32，主要返回SD卡的一些状态、内部寄存器值等。
PC12：用于检测SD卡是否完全插入。当SD卡完全插入时，PC12为低电平，否则为高电平。
3.2 VS1003与STM32的连接
该系统使用STM32内部接口SPI2与VS1003进行通信，下面介绍其引脚连接情况。
PA3：VS1003的中断请求引脚。当VS1003内部数据已处理完毕，需要新的数据时，将DREQ拉高。STM32根据这个信号来给VS1003发送新的数据流。
PB13：已连接到STM32内部接口SPI2的时钟(SCLK)信号线。
PB14：已连接到STM32内部接口SPI2的主输入从输出(MISO)信号线。这里STM32是主设备，VS1003是从设备。数据流的传输方向是从VS1003传输给STM32。主要用于读取VS1003的一些状态和内部寄存器值，比如寄存器测试返回的内部寄存器的值。
PB15：已连接到STM32内部接口SPI2的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，VS1003是从设备。数据流方向是从STM32传输给VS1003，主要传输给VS1003一些控制命令、MP3/WMA数据流等。
PA1：低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是控制信号。控制信号包括读写VS1003的内部寄存器、对VS1003进行初始化、设置左右声道音量等。
PA2：低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是数据信号。比如在向VS1003传输MP3/WMA的数据流时需要拉低该引脚。
PA0：低电平有效，拉低该引脚则硬件复位VS1003。
4 系统软件设计
本系统的软件由集成开发工具RealView MDK专业版开发，它具有强大的编译、链接和调试功能。软件结构如图3所示。本系统的工作过程大致为：STM32通过SPI1从SD卡中读取MP3/WMA文件，将所读取的数据流通过SPI2发送到VS1003解码器中播放；PC机可通过USB总线读写SD卡的内容，传送MP3/WMA等文件；LCD显示屏用于显示MP3的文件名、播放状态。五维摇杆左右摇动控制播放上一首/下一首，上下摇动控制音量，按下则控制播放/暂停。
由于SPI1读取SD卡文件的速度远超过VS1003播放数据流的速度，因此VS1003在播放来自SPI2的数据流期间，SPI1能从SD卡中读取下次播放所需的数据，不会产生声音不连续的情况。由于使用了2个SPI接口，相互之间无干扰，且提高了文件系统的效率，因此本系统能得到非常高品质的音乐。
限于篇幅，下面仅介绍软件的两个核心模块。
4.1 SD模块
SD模块主要提供SD卡驱动以及对FAT文件系统操作的函数，FAT文件系统支持长文件名。该模块主要含有2个文件msd.c和fat16.c。下面分别介绍其主要函数的功能。
4.1.1 msd.c
该文件用于提供SD卡的驱动，主要包括以下函数。
SPI_Config：配置与SD卡相连接的SPI1及相关GPIO。
MSD_Init：初始化SD卡通信。
Get_Medium_Characteristics：获取SD卡的容量和块大小等相关信息。
MSD_GoIdleState：令SD卡处于空闲态。
MSD_SendCmd：向SD卡发送命令。
MSD_GetResponse：从SD卡获取响应。
MSD_GetStatus：获取SD卡的状态。
MSD_WriteBlock：向SD卡写入1个块的数据。
MSD_ReadBlock：从SD卡读取1个块的数据。
以下是函数MSD_ReadBlock的实现：
u8 MSD_ReadBlock(u8* pBuffer, u32 ReadAddr, u16 NumByteToRead)
{
u32 i = 0;
u8 rvalue = MSD_RESPONSE_FAILURE;
MSD_CS_LOW();//拉低片选信号，选中SD卡
MSD_SendCmd(MSD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF);//发送读取块命令
//检测SD卡是否有返回信息，若是则返回0x00
if (!MSD_GetResponse(MSD_RESPONSE_NO_ERROR)){
if (!MSD_GetResponse(MSD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ)){//等待数据令牌，标志数据传输开始
for (i = 0; i < NumByteToRead; i++){//读取数据
*pBuffer = MSD_ReadByte(); //缓存收到的数据
pBuffer++;//缓存指针后移
}
rvalue = MSD_RESPONSE_NO_ERROR;//修改rvalue的值为成功
}
}
MSD_CS_HIGH();//拉高片选信号，禁用SD卡
MSD_WriteByte(DUMMY);//写无效字节，传输结束
return rvalue;//返回
}
4.1.2 fat16.c
该文件提供对FAT16文件系统的支持，主要包含以下函数。
ReadMBR：读取MBR数据结构。
ReadBPB：读取BPB数据结构。
ReadFAT：读取文件分配表指定项。
ReadBlock：读取SD卡的一个扇区。
FAT_Init：获取FAT16文件系统的基本信息。
DirStartSec：获取根目录的开始扇区号。
DataStartSec：获取数据区的开始扇区号。
ClusConvLBA：获取一个簇的开始扇区号。
LBAConvClus：转换扇区号与簇号之间的关系。
GetFileName：获取指定文件的首扇区号。
ListDateTime：列出文件或子目录创建的时间日期。
SearchFoler：在指定范围内查找文件或子目录。
ListDir：列出指定范围内的文件或子目录及相关信息。
FAT_FileOpen：打开指定文件。
FAT_FileRead：读取文件数据。
4.2 VS1003模块
VS1003模块主要提供对解码芯片VS1003的驱动，为应用层播放音频数据、控制音量声道等提供基本接口。该模块主要含文件vs1003.c。其主要函数的功能如下。
vs1003.c文件主要提供VS1003芯片的驱动，包含以下几个主要函数。
VS1003_Config：配置STM32与VS1003连接的相关引脚，包括SPI2、PA0、PA1、PA2、PA3。
SPIGetChar：通过SPI从VS1003读取1个字节。
SPIPutChar：通过SPI向VS1003写入1个字节。如果是MP3/WMA数据流，则VS1003将开始解码并播放。
Mp3ReadRegister：读取VS1003寄存器的值。
Mp3WriteRegister：写VS1003寄存器。
Mp3Reset：VS1003复位，包括软件复位和硬件复位。
Mp3SoftReset：VS1003软件复位，设置时钟、采样率、重音、音量、立体声等参数，一般在2首乐曲之间需要一次软件复位。
VsSineTest：播放正弦声波，用于测试VS1003和STM32的连接是否完好。
结语
本文提出了一种基于STM32的MP3播放器设计方案，并使用ARM开发工具RealView MDK实现了该方案的原型。尽管该方案无法作为一个通用MP3的方案，但是对于某些音频需要的工业控制、汽车电子、医疗电子等方案具有一定的参考性。另外，本系统综合使用了STM32处理器的多个外围接口，也可供读者学习参考。