matlab2014激活教程:单片机实现MP3播放的方法

有一个东西你一定听说过或用过，那就MP3播放器。MP3播放器以其小巧的体积、强大的功能、优异的音质倍受人们的青睐。如果把它嵌入到我们的单片机系统中，实现音频输出，那么对系统的增色是不言而喻的。单独拿单片机来说，要解码MP3文件，是不可能的，因为从处理速度和资源各个方面都是不能满足要求的。所以要依赖于专用MP3解码芯片，而单片机要作的就是对其进行控制。这里我们围绕芬兰VLSI公司出品的VS1003来进行解MP3的实现方法。
1、VS1003芯片
1）芯片简介
VS1003是由荷兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM编码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP，5K的指令RAM，0.5K的数据RAM，串行的控制和数据输入接口， 4个通用IO口，一个UART口；同时片内带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器。
VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。输入的比特流被解码，然后通过一个数字竟是控制器到达一个18位过采样多位ε-ΔDAC。通过串行总线控制解码器。除了基本的解码，在用户RAM中它还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。
2）芯片实物与SiriuS板上的VS1003
3）芯片封装
以下的讲述都是针对于LQFP-48封装的。
4）VS1003特性
1.能解码MPEG1 与MPEG2音频层III（CBR+VBR+ABR）;WMA 4.0/4.1/7/8/9 5~384kbps所有流文件;WAV（PCM+IMA AD-PCM）;产生MIDI/SP-MIDI文件。
2.对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMA ADPCMM编码
3.支持MP3和WAVV流
4.高低音控制
5.单时钟12~13MHz
6.内部PLLL锁相环时钟倍频器
7.低功耗
8.内含高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差
9.内含能驱动30欧负载的耳机驱动器
10.模拟，数字，I/O单独供电
11.为用户代码和数据准备的5.5KB片上RAM
12.串行的控制/数据接口
13.可被用作微处理器的从机
14.特殊应用的SPI Flash引导
15.借高度用途的UART接口
16.新功能可以通过软件和4 GPIO添加
5）VS1003的引脚定义
 
管脚名称
 
LQFP-48
 
管脚类型
 
管脚功能
 
MICP
 
1
 
AI
 
同相差分话筒输入，自偏压
 
MICN
 
2
 
AI
 
反相差分话筒输入，自偏压
 
XRESET
 
3
 
DI
 
低电平有效，异步复位端
 
DGND0
 
4
 
DGND
 
处理器核与I/O地
 
CVDD0
 
5
 
CPWR
 
处理器核电源
 
IOVDD0
 
6
 
IOPWR
 
I/O电源
 
CVDD1
 
7
 
CPEW
 
处理器核电源
 
DREQ
 
8
 
DO
 
数据请求，输入总线
 
GPIO/DCLK
 
9
 
DIO
 
通用I/O2 /串行数据总线时钟
 
GPIO3/SDATA
 
10
 
DIO
 
通用I/O3 /串行数据总线数据
 
XDCS/BSYNC
 
13
 
DI
 
数据片选端/字节同步
 
IOVDD1
 
14
 
IOPWR
 
I/O 电源
 
VCO
 
15
 
DO
 
时钟压控振荡器VCO 输出
 
DGND1
 
16
 
DGND
 
处理器核与I/O 的地
 
XTALO
 
17
 
AO
 
晶振输出
 
XTALI
 
18
 
AI
 
晶振输入
 
IOVDD2
 
19
 
IOPWR
 
I/O 电源
 
DGND2
 
20
 
DGND
 
处理器核与I/O 地
 
DGND3
 
21
 
DGND
 
处理器核与I/O 地
 
DGND4
 
22
 
DGND
 
处理器核与I/O 地
 
XCS
 
23
 
DI
 
片选输入，低电平有效
 
CVDD2
 
24
 
CPWR
 
处理器核电源
 
RX
 
26
 
DI
 
UART接收口，不用时接IOVDD
 
TX
 
27
 
DO
 
UART发送口
 
SCLK
 
28
 
DI
 
串行总线的时钟
 
SI
 
29
 
DI
 
串行输入
 
SO
 
30
 
DO3
 
串行输出
 
CVDD3
 
31
 
CPWR
 
处理器核电源
 
TEST
 
32
 
DI
 
保留做测试，连接至IOVDD
 
GPIO0/SPIBOOT
 
33
 
DIO
 
通用I/O0 /SPIBOOT,使用100K 下拉电阻
 
GPIO1
 
34
 
DIO
 
通用I/O1
 
AGND0
 
37
 
APWR
 
模拟地，低噪声参考地
 
AVDD0
 
38
 
APWR
 
模拟电源
 
RIGHT
 
39
 
AO
 
右声道输出
 
AGND1
 
40
 
APWR
 
模拟地
 
AGND2
 
41
 
APWR
 
模拟地
 
GBUF
 
42
 
AO
 
公共地缓冲器
 
AVDD1
 
43
 
APWR
 
模拟电源
 
RCAP
 
44
 
AIO
 
基准滤波电容
 
AVDD2
 
45
 
APWR
 
模拟电源
 
LEFT
 
46
 
AO
 
左声道输出
 
AGND3
 
47
 
APWR
 
模拟地
 
LINE IN
 
48
 
AI
 
线路输入
6）VS1003的功能寄存器
VS1003共有16个16位的寄存器，地址分别为0X0~0XF;除了模式寄存器（MODE，0X0）和状态寄存器（STATUS，0X1）在复位后的初始值分别为0X800和OX3C外，其余的寄存器在VS1003初始化后的值均为0。下面将VS1003各寄存器逐一进行介绍。
1.MODE（地址：0X0 可读写）
bit0:SM_DIFF
SM_DIFF=0  正常音频相位
SM_DIFF=1  左声道反转
当SM_DIFF置位时，VS1003将左声道反相输出，立体声输入将产生环绕效果，对于单声道输入将产生差分（反相）左/右声道信号。
bit1:SM_SETTOZERO
置零。
bit2:SM_RESET
SM_RESET=1，VS1003软复位。软复位之后该位会自动清零。
bit3:SM_OUTOFWAV
SM_OUTOFWAV=1,停止WAV解码。
当你要中途停止WAV、WMA或者MIDI文件的解码时，置位SM_OUTOFWAV，并向VS1003持续发送数据（对于WAV文件发送0）直到将SM_OUTOFWAV清零;同时SCI_HIDAT1也将被清零。
bit4:SM_PDOWN
SM_PDOWN=1，软件省电模式，该模式不及硬件省电模式（可由VS1003的XRESET来激活）。
bit5:SM_TESTS
SM_TESTS=1，进入SDI测试模式。
bit6:SM_STREAM
SM_STREAM=1,使能VS1003的流模式。
bit7:SM_PLUSV
SM_PLUSV=1，MP3+V解码使能。
bit8:SM_DACT
SM_DACT=0，SCLK上升沿有效;SM_DACT=1，SCLK下降沿有效。
bit9:SM_SDIORD
SM_SDIORD=0，SDI总线字节数据MSB在前，即须先发送MSB;
SM_SDIORD=1，SDI总线字节数据LSB在前，即须先发送LSB;
该位的设置不会影响SCI总线。
bit10:SM_SDISHARE
SM_SDISHARE=1,SDI与SCI将共用一个片选信号（同时SM_SDINEW=1），即将XDCS与XCS这两根信号线合为一条，能省去一个IO口。
bit11:SM_SDINEW
SM_SDINEW=1，VS1002本地模式（新模式）。VS1003在启动后默认进入该模式。（这里所说的模式指的是总线模式。）
bit12:SM_ADPCM
SM_ADPCM=1，ADPCM录音使能。
同时置位SM_ADPCM和SM_RESET将使能VS1003的IMA ADPCM录音功能。
bit13:SM_ADPCM_HP
SM_ADPCOM_HP=1，使能ADPCM高通滤波器。同时置位SM_ADPCM_HP、SM_ADPCM和SM_RESET将开启ADPCM录音用高通滤波器，对录音时的背景噪音有一定的抑制作用。
bit14:SM_LINE_IN
录音输入选择，SMLINE_IN=1,选择线入（line in）;SM_LINE_IN=0，选择麦克风输入（默认）。
2.SCI_STATUS(地址：0X1 可读写)
SCI_STATUS为VS1003的状态寄存器，提供VS1003当前状态信息。
3.SCI_BASS(地址：0X2 可读写)
重音/高音设置寄存器。
VS1003的内置的重音增强器VSBE是种高质量的重音增强DSP算法，能够最大限度的避免音频削波。当SB_AMPLITUDE（bit:7~4）不为零时，重音增强器将使能。可以根据个人需要来设置SB_AMPLITUDE。例如，SCI_BASS=0x00f6，即对60Hz以下的音频信号进行15dB的增强。当ST_AMPLITUDE（bit:15~12）不为零时，高音增强将使能。例如，SCI_BASS=0x7a00，即10kHz以上的音频信号进行10.5dB的增强。
4.SCI_CLOCKF(地址：0X3 可读写)
bit15~bit13:SC_MULT
时钟输入XTALI的倍频设置，设置之后将启动VS1003内置的倍频器。
bit12~bit11:SC_ADD
用于在WMA流解码时给倍频器增加的额外的倍频值。
bit10~bit0:SC_FREQ
当XTALI输入的时钟不是12.288M时才需要设置该位段，其默认值为0,即VS1003默认使用的是12.228M的输入时钟。
5.SCI_DECODE_TIME(地址：0X4 可读写)
解码时间寄存器。当进行正确的解码时，读取该寄存器可以获得当前的解码时长（单位为秒）。可以更改该寄存器的值，但是新值须要对该寄存器进行两次写操作。在每次软件复位或是WAV(PCM、IMA ADPCM、WMA、MIDI)解码开始与结束时SCI_DECODE_TIME的值将清零。
6.SCI_AUDATA(地址：0X5 可读写)
当进行正确的解码时，该寄存器的值为当前的采样率（bit:15~bit1）和所使用的声道（bit0）。采样率须为2的倍数;bit0=0，单声道数据，bit0=1，立体声数据。写该寄存器半直接改变采样率。
7.SCI_WRAM(地址：0X6 可读写)
读寄存器用来加载用户应用程序和数据到VS1003的指令的数据RAM中。起始地址在SCI_WRAMADDR中进行设置，且必须先于读写SCI_WRAM。对于16位的数据可以在进行一次SCI_WRAM的读写中完成;而对32位的指令字来说则需要两次连续读写。字节顺序是大端模式，即高字节在前，低字节在后。在每一次完成全字读写后，内部指针将自动增加。
8. SCI_WRAMADDR(地址：0X7 可读写)
用于设置RAM读写的首地址。
9.SPI_HDAT0gng SPI_HDAT1(地址：0X8 只读)
这两个寄存器用来存放所解码的音频文件的相关信息，为只读寄存器。
当为WAV文件时，SPI_HDAT0=0X7761，SPI_HDAT1=0X7665;
当为WMA文件时，SPI_HDAT0的值为解码速率（字节/秒），要转换为位率的话则将SPI_HDAT0的值乘8即可，SPI_HDAT1=0X574D;
当为MIDI文件时，SPI_HDAT0的值可以参考VLSI的技术文档第33页，SPI_HDAT1=0X4D54;
当为MP3文件时，SPI_HDAT0和SPI_HDAT1包含较为复杂的信息（来自于解压之后的MP3文件头），包括当前正在    解码的MP3文件的采样率、位率等，具体请参考数据手册的第33页到第34页。复位后SPI_HDAT0和SPI_HDAT1将清零。
10.SCI_AIADDR(地址：0XA 可读写)
用户应用程序的起始地址，初始化先于SCI_WRAMADDR和SCI_WRAM。如果没有使用任何用户应用程序，则该寄存器不应进行初始化，或是将其初始化为零。
11.SCI_VOL(地址：0XB 可读写)
音量控制寄存器。高八位用于设置左声道，低八位用于设置右声道。设置值为最大竟是的衰减倍数，步进值为0.5dB，范围为0到255.最大竟是的设置值为0x0000，而静音为0xffff。例如，左声道：-2.0dB，右声道：-3.5dB，则SCI_VOL=(4X256)+7=0x0407。硬件复位将使SCI_VOL清零（最大音量），而软件复位将不改变音量设置值。
（设置静音(SCI_COL=0XFFFF)将关闭模拟部分的供电。）
12.SCI_AICTRL[X](地址：0XC~0XF 可读写)
用于访问用户应用程序。
7）VS1003有应用电路
2、VS1003的驱动方法
这里就来介绍单片片对VS1003的控制方法，最终实现MP3播放。
1）准备工作
在对VS1003进行驱动之前，我们需要确保以下几点已经没问题，否则后面的工作都将是没有意义的。
1.VS1003各部分的供电电压与输出电压值是不同的。
 
供电部分
 
最小电压
 
推荐电压
 
最大电压
 
AVDD（模拟部分）
 
2.5V
 
2.8V
 
3.6V
 
CVDD（数字部分，内核）
 
2.4V
 
2.5V
 
2.7V
 
IOVDD（I/O电压）
 
CVDD-0.6V
 
2.8V
 
3.6V
2.VS1003与单片机正确可靠连接。
VS1003与单片机连接的引脚主要有7个，分别为 SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS。只有保证它们与单片机正确可靠的连接，才能对VS1003进行有效的操作与控制。
2）写命令操作
要控制VS1003首先要实现的就是写命令，这是控制是否成功的前提。关于通信接口部分，是一种同步串行接口方式（SPI从机模式），它要求SCLK信号必须由外部电路产生，数据（SDATA）在SCLK的上升沿或下降沿时被写入。在笔者的实验中，采用的是软件模拟SPI，读者也可以选用带有硬件SPI的单片机（如STC12系列、AVR系列等），驱动效果会更好。写命令的过程如下：
1.等待DREQ为高（当DREQ为低时，说明芯片还没有就绪）
2.将XCS（命令片选）拉低
3.写入0x02
4.写入寄存器地址
5.分别写入数据的高字节与低字节
6.将XCS置高
实现代码如下：
void wr_commad(unsigned char addr,unsigned char hdat,unsigned char ldat )
{
DREQ=1;
while(!DREQ);
XCS=0;
spi_write(0x02);
spi_write(addr);
spi_write(hdat);
spi_write(ldat);
XCS=1;
}
3）VS1003的初始化
如其它芯片一样，初始化对于VS1003来说同样是极其重要的。初始化的过程大致是这样的：
1.硬件复位：接XRESET拉低
2.延时，将XDCS、XCS、XRESET置高
3.向MODE中写入0X0804
4.等待DREQ为高
5.设置VS1003的时钟：SCI_CLOCKF=0x9800，3倍频
6.设置VS1003的采样率：SPI_AUDATA=0xbb81，采样率48k，立体声
7.设置重音：SPI_BASS=0x0055
8.设置音量：SCI_VOL=0x2020
9.这一步被很多人忽视，向VS1003发送4个字节的无效数据，用以启动SPI发送
实现代码如下：
void Mp3Reset(void)
{
XRESET=0;
delay(100);
XDCS=XCS=XRESET=1;
wr_commad(0x00,0x08,0x04);
delay(10);
DREQ=1;
while(!DREQ);
wr_commad(0x03,0x98,0x00);
delay(10);
wr_commad(0x05,0xbb,0x81);
delay(10);
wr_commad(0x02,0x00,0x55);
delay(10);
wr_commad(0x0b,VOL_VALUE,VOL_VALUE);   // 音量
delay(10);
spi_write(0);
spi_write(0);
spi_write(0);
spi_write(0);
}
在进行了正确的初始化后，还要着重检查一下VS1003的模拟部分是否正常
将VS1003的所有DVDD、AVDD管脚以及XRESET、TEST（第32个引脚）接+3.0V，然后测量RCAP引脚，它应该是1.3V左右，否则芯片模拟部分未正常工作。
4）正弦测试
在上面的各种操作与检测没有问题后，就可以让VS1003放出声音了。可以利用VS1003自带的正弦测试对音频输出进行测试。要启动VS1003的正弦测试，需要向其写入正弦测试命令。这里提供启动正弦测试的流程，在真实的硬件运行通过，最终的效果是在耳机中听到单一频率的正弦音（频率可以通过程序来更改）。
具体流程如下：
1.进入VS1003的测试模式：SPI_MODE=0X0820
2.等待DREQ为高
3.将XDCS接低，而XCS要置高，选择VS1003的数据接口
4.向VS1003发送正弦测试命令：0X53 0XEF 0X6E 0X30 0X00 0X00 0X00 0X00
其中0X30为频率，用户可以修改为其它值
5.延时一段时间
6.退出正弦测试，发送命令：0X45 0X78 0X69 0X74 0X00 0X00 0X00 0X00
7.延时一段时间
8.循环以上流程
实现代码如下：
void Sintest(unsigned char x)
{
wr_commad(0x00,0x08,0x20);
DREQ=1;
while(!DREQ);
XDCS=0;XCS=1;
spi_write(0x53);
spi_write(0xef);
spi_write(0x6e);
spi_write(x);
spi_write(0);
spi_write(0);
spi_write(0);
spi_write(0);
delay(5000);
spi_write(0x45);
spi_write(0x78);
spi_write(0x69);
spi_write(0x74);
spi_write(0);
spi_write(0);
spi_write(0);
spi_write(0);
delay(5000);
XDCS=1;
}
如果能够通过这一步，就说明你的VS1003已经做好了为你播放MP3的准备了。下面的工作 就是将MP3文件的数据有条不紊地发给VS003,让它来为你完成MP3的解码和播放任务 。
5）MP3文件数据写入
以上的对VS1003的初始化与测试都通过后，现在就可以给它发送MP3文件了。但是这时就又出现一个新的问题。MP3文件通常是比较大的，小的也要1M~2M，如果使单片机内部的Flash Rom的话，容量是远远不够的。需要有一种大容量的存储器来作为MP3文件的载体。在笔者的调试系统中采用了SD卡（256M）、U盘（1G）与移动硬盘（40G）来存储MP3文件。关于SD卡与U盘的读写方法可以参看相关章节。这些大容量的存储设备通常也是按照扇区来进行读写的，但在实际的应用中更多的是结合FAT32等文件系统来进行文件读写。文件系统部分可以参照《FAT32的存储机制及其在单片机中的实现》。
这里抛开存储介质不谈，只谈数据的写入方法。其实写入数据的方法十分简单。主要就是看DREQ信号，在VS1003的FIFO能够接受数据的时候输出高电平。每次可以写入32个字节的数据。而DREQ变低时，单片机就要停止数据的发送。
具体的写数据的方法如下：
1.将XDCS拉低
2.等待DREQ为高
3.通过SPI写入数据
4.在文件没有结束前不断重复2与3操作
5.在所有的数据都发送完毕后，最后发送2048个无效字节，用以清除VS1003的数据缓冲区
6.将XDCS置高
以下是笔者的程序中的写数据部分：
XDCS=0;
for(j=621;j<2783;j++)
{
for(k=0;k<8;k++)
{
MMC_get_data_LBA(j,64,get);
for(i=0;i<64;i++)
{
DREQ=1;
while(!DREQ);
spi_write(get[i]);
//delay(60000);
}
}
}
for(temp=0;temp<2048;temp++)
{
DREQ=1;
while(!DREQ);
spi_write(0);
}
XDCS=1;