隨著數(shù)字聲音作為一種存儲、處理和傳輸高保真聲音的方法在消費電子等領域的廣泛應用，與之相關的數(shù)字音頻壓縮技術也得到了充分的發(fā)展，MP3音樂格式的出現(xiàn)和Internet的日益普及更是將數(shù)字音樂推向了高潮。MP3壓縮音樂的方式是通過一個運算法則，去掉聲音中高頻與低頻的部分，大幅刪減不必要的容量浪費，同時保留了人類所能感受到的音頻部分，因此其好處在于大幅降低了數(shù)字聲音文件的容量，而不會破壞原來的音質。音質越低的聲音在MP3的運算法則下可以得到越高的壓縮比例。本文研究了數(shù)字音頻技術在嵌入式系統(tǒng)中的應用,給出了嵌入式MP3播放系統(tǒng)的軟硬件設計。

系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)包括主控MCU（LPC2148）、解碼器、DAC（VS1003）、SD卡、按鍵、OLED和鋰電池等幾部分，結構框圖如所示。PC通過USB接口實現(xiàn)對SD卡的管理和對MP3歌曲、文檔等數(shù)據(jù)信息的存儲。系統(tǒng)啟動后，由MCU控制將存儲于Flash中歌曲的碼流信息送入到VS1003芯片中，通過VS1003芯片解碼以及其內含的高質量的立體聲DAC和耳機驅動電路，實現(xiàn)MP3歌曲的播放功能。在按鍵的控制下，通過OLED中菜單選項的選擇，實現(xiàn)對歌曲播放模式以及歌曲選擇等功能；在播放的同時，OLED上顯示的信息除滾動的歌曲名稱信息外，還包括系統(tǒng)供電電池的電量及歌曲播放模式等。

  系統(tǒng)硬件框圖

硬件設計

1 電源模塊

MAX1811是能夠直接從USB端口取電的高集成度單體Li+蓄電池的充電芯片，充電電路如所示。本系統(tǒng)充電電流應設定為500mA，同時將SELV引腳置高，MAX1811芯片被配置為Li+電池充電至4.2V，CHG端允許芯片在充電期間點亮LED。

  Li+蓄電池的充電電路

由于Li+蓄電池的單體放電電壓為3.6V，不適合其他芯片的工作電壓，所以需加LDO芯片SPR6200和SPR6201，將電壓分別降低到3.3V和2.7V。

2 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，內嵌512KB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。

3 解碼模塊

VS1003解碼芯片內部集成有VS_DSP處理器、立體聲音頻DAC和立體聲耳機放大驅動器等。由于解碼與控制芯片分離，所以音質好，控制也比較簡單。

LPC2148通過其SPI接口對VS1003進行控制，給出了LPC2148與VS1003的硬件連接圖。

  LPC2148與VS1003連接電路

4 顯示模塊

VGS12864E是128×64行點陣的OLED單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內置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。

5 存儲模塊

采用SD卡作為存儲介質的優(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。為SD卡的接口電路，其中VSS1、VSS2與GND相連接地；DAT1、DAT2接10kΩ下拉電阻；10和12引腳接一個大約100Ω的電阻后與LPC2148的I/O相連，并通過10kΩ電阻上拉；同時，3和8引腳也通過電阻上拉。

  SD卡的接口電路

軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計包括三部分：顯示程序、SD卡讀寫程序和MP3播放程序。為軟件總體設計流程。

  軟件總體設計流程圖

1 顯示程序

系統(tǒng)使用的是不含字符和圖形驅動的OLED點陣顯示屏，所以系統(tǒng)服務程序包括了圖形及中、英文字符的顯示驅動控制。是顯示模塊的軟件流程。顯示程序入口參數(shù)是字符編碼，根據(jù)編碼判斷字符的類型，根據(jù)不同類型的字符（符號、ASCII碼、漢字）設置不同的查表基地址。然后將字符編碼值作為查表偏移地址獲得該字符的顯示點陣數(shù)據(jù)存入顯示緩沖區(qū)，調用執(zhí)行程序完成字符顯示刷新。顯示程序還提供了所有ASCII字符和簡體中文的查表接口。字庫存儲在LPC2148內部的Flash中。由于LPC2148的A/D的電壓不能超過3.3V，所以Li+蓄電池電壓通過電阻分壓后送入A/D口，讀出轉換后的值通過適當處理也送入OLED成比例的顯示電池供電情況。

  OLED模塊顯示的軟件流程圖

2 SD卡讀寫程序

LPC2148內部帶有一個完全兼容USB2.0規(guī)范的USB設備控制器。配置芯片內部的相關寄存器，使其僅僅使能芯片內部的邏輯端點0和2，分別支持USB協(xié)議中的控制傳輸和批量傳輸。然后初始化USB口相關驅動參數(shù)后嘗試與PC建立通信聯(lián)系。

3 MP3播放程序

VS1003主要通過串行命令接口（SCI）和串行數(shù)據(jù)接口（SDI）來接收LPC2148的控制命令和MP3的數(shù)據(jù)。通過xCS、xDCS引腳的置高、置低來確認是哪一個接口處于傳送狀態(tài)。
對于VS1003芯片的功能控制，如初始化、軟復位、暫停、音量控制、播放時間的讀取等，均是通過SCI寫入到特定寄存器實現(xiàn)的。兩條SCI指令之間要通過DREQ引腳信號判斷上次處理是否完成。

MP3文件的數(shù)據(jù)流通過SDI傳送。SDI可以工作在兩種方式：native mode和compatibility mode，通過寄存器中SM NEWMODE位進行選擇。本系統(tǒng)采用native mode，compatibility mode只是為了與以前的芯片兼容。是數(shù)據(jù)流處理過程。首先將通過SDI傳送過來的MP3數(shù)據(jù)送解碼器解碼，然后根據(jù)SCI BASS寄存器內容將解碼后的數(shù)據(jù)送入低音、高音增強器，之后送入聲音控制單元，再送入音頻FIFO。音頻FIFO中的數(shù)據(jù)在通過采樣速率轉換成同一速率，再送入DAC。

  數(shù)據(jù)流處理流程圖

如果音頻FIFO有足夠的空間，VS1003會發(fā)出一個高電平DREQ數(shù)據(jù)請求信號，以表示可以接收至少32B的數(shù)據(jù)。如果輸入解碼器的數(shù)據(jù)無效或傳送的速度不夠，VS1003芯片會自動做靜音處理。

結語

此MP3播放器解決方案也能實現(xiàn)PlusV/WAV/ADPCM/WMA/MIDI格式的音頻文件播放。實驗結果在電路板上調試通過，播放MP3音樂流暢，音質好。此外，若采用VS1003的升級芯片VS1033，在不改變電路的情況下系統(tǒng)可直接升級成AAC播放器。