引言
隨著mp3播放器作為消費(fèi)類產(chǎn)品的普及,，MP3的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)也越來越多。在當(dāng)前的MP3播放器中,，一般有以下幾種設(shè)計(jì)方案：
① MCU內(nèi)置硬解碼模塊,。典型的芯片有Atmel公司的AT89C51SNDI等芯片。
② 外置獨(dú)立的MP3硬解碼芯片,。此種方案的好處是可以使用眾多的MCU,，可根據(jù)需要任意選擇,。硬解碼芯片典型的有VS1011B、STA013等芯片,。
③ 使用功能強(qiáng)大的MCU進(jìn)行軟解碼,，如使用DSP或是高性能的ARM。此種方案較為靈活,，通過軟件升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級(jí),。
MP3播放器的存儲(chǔ)介質(zhì)一般采用Flash存儲(chǔ)芯片。隨著USB技術(shù)和閃存技術(shù)的發(fā)展,，優(yōu)盤已經(jīng)成為一種大眾化的電子產(chǎn)品被廣泛使用,，但優(yōu)盤一般只是作為PC的移動(dòng)存儲(chǔ)器。本文研究的一種方案是在上述MP3設(shè)計(jì)方案②的基礎(chǔ)上,，外擴(kuò)優(yōu)盤讀寫電路,，使存儲(chǔ)介質(zhì)使用普通的優(yōu)盤。這樣可以解決普遍使用的優(yōu)盤只能作為PC外設(shè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的問題,，使U盤的使用范圍擴(kuò)展到MP3上,。更大的意義還在于,，本文提出了一種在以嵌入式系統(tǒng),、MCU為核心的消費(fèi)類電子產(chǎn)品或工業(yè)產(chǎn)品中，將優(yōu)盤作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用的設(shè)計(jì)方案,，為在微計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng),、儀器儀表、無紙化數(shù)據(jù)記錄儀,、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中添加優(yōu)盤外設(shè)功能提供有益的參考,。
1 硬件設(shè)計(jì)
S3C44B0X是Samsung公司開發(fā)生產(chǎn)的為嵌入式設(shè)備提供的一個(gè)低成本、高性能的ARM7TMDI核處理器,，其最高運(yùn)行頻率可達(dá)66 MHz,。SL811HS是Cypress公司的一款遵從USB1.1協(xié)議的嵌入式Host/Slave USB芯片；可以支持低速和高速模式,，能自動(dòng)偵測(cè)低速模式1. 5 Mbps設(shè)備和高速模式12 Mbps全速設(shè)備,。由于具有8位數(shù)據(jù)總線的支持，使該芯片可以較為簡(jiǎn)單地與微控制器相連,，SL811HS芯片與S3C44B0X的接口較為簡(jiǎn)單,。本系統(tǒng)中ARM讀/寫優(yōu)盤原理框圖如圖1所示。
SL811HS的控制命令和數(shù)據(jù)均通過D0～D7傳輸,，A0為數(shù)據(jù)或地址選擇線,。當(dāng)A0置為低電平時(shí)，D0～D7上傳輸?shù)氖荢L811HS片內(nèi)寄存器的地址,；反之當(dāng)A0置為高電平時(shí)傳輸?shù)膭t為數(shù)據(jù),。nWR,、nRD、nCS,、nRST0分別為寫控制線,、讀控制線、片選線和復(fù)位線,，S3C44B0X通過這幾根控制線完成對(duì)SL811HS片內(nèi)緩沖區(qū)的讀寫,、片選和復(fù)位等操作。INT是SL811HS的中斷請(qǐng)求信號(hào)線,。當(dāng)SL811HS檢測(cè)到優(yōu)盤插入,、拔出時(shí)，通過將INT線拉高通知S3C44B0X,。S3C44B0X可以通過查詢SL811HS片內(nèi)狀態(tài)寄存器來得知是優(yōu)盤插入或是拔出,。對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫操作可以清除中斷，但需要注意的是ARM的結(jié)構(gòu)特性,。ARM內(nèi)部通常是Little Endian方式存儲(chǔ)和使用4字節(jié)對(duì)齊方式[1],，并且當(dāng)采用16位數(shù)據(jù)總線時(shí)，地址線ADDR0是無效的[2],。在本系統(tǒng)中,，SL811HS芯片A0端是與ADDR1相連接的。
VS1011B是一款單芯片的MP3解碼芯片,，在國際MP3業(yè)余愛好者中影響較大,，集成解碼、A/D轉(zhuǎn)換,、音頻放大等功能,。VS1011B與S3C44B0X接口為SPI接口，其連接電路原理框圖如圖2所示,。
VS1011B的控制與數(shù)據(jù)傳輸是通過SPI接口完成的,，DREQ、xDCS,、xCS,、nRST1分別為數(shù)據(jù)請(qǐng)求端口、數(shù)字片選信號(hào)線,、片選線,、復(fù)位線。在VS1001B的新模式下,，SDI（Serial Data InteRFace）數(shù)據(jù)和SCI（Serial Command Interface）數(shù)據(jù)傳輸可以共享ARM的一個(gè)SPI接口,；而在兼容模式下，SDI數(shù)據(jù)傳輸要用DCLK,、SDATA串行接口,，SCI數(shù)據(jù)傳輸用SPI接口,。為了簡(jiǎn)化電路，此處選用了新模式,。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 優(yōu)盤讀寫軟件的實(shí)現(xiàn)
USB組織定義了海量存儲(chǔ)設(shè)備類（mass storage class）的規(guī)范,。這個(gè)類規(guī)范包括4個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范：USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 、USB Mass Storage Class BulkOnly Transport,、USB Mass Storage Class ATA Command Block,、USB Mass Storage Class UFI Command Specification。其中優(yōu)盤屬于海量存儲(chǔ)設(shè)備,，遵循bulkonly傳輸協(xié)議,，子類采用UFI命令集。本設(shè)計(jì)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示,。其中兩條點(diǎn)畫線之間的部分為讀/寫優(yōu)盤的軟件結(jié)構(gòu),。
2.1.1 USB物理層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
該部分實(shí)現(xiàn)S3C44B0X對(duì)SL811HS芯片的直接底層數(shù)據(jù)的讀寫，包括對(duì)SL811HS的初始化及讀/寫一個(gè)字節(jié)的函數(shù),。限于篇幅,，此處只列出對(duì)SL811HS芯片的初始化程序：
/*********************************
函數(shù)名稱：SL811_Init
函數(shù)功能：初始化SL811HS芯片
輸入?yún)?shù)：無
返回值：無
*********************************/
void SL811_Init(void){
//初始化U盤為未插入狀態(tài)
bFlags.bits.SLAVE_ONLINE = FALSE;
bFlags.bits.SLAVE_FOUND = FALSE;
bFlags.bits.SLAVE_REMOVED = FALSE;
bFlags.bits.SLAVE_ENUMERATED = FALSE;
bFlags.bits.SLAVE_IS_ATTACHED = FALSE;
//允許硬件產(chǎn)生SOF（Start of Frame）
SL811Write(CtrlReg,0x04);
DelayMs(100);
SL811Write(CtrlReg,0x01);
//設(shè)置SOF，1 ms中斷
SL811Write(cDATASet,0xe0);
//設(shè)置為主機(jī)工作模式
SL811Write(cSOFcnt,0xae);
SL811Write(EP0Status,0x50);
//地址設(shè)為0
SL811Write(EP0Counter,0);
//允許數(shù)據(jù)發(fā)送
SL811Write(EP0Control,0x01);
SL811Write(IntEna,0x20);
//清中斷
SL811Write(IntStatus,INT_CLEAR);
}
2.1.2 USB設(shè)備協(xié)議層的實(shí)現(xiàn)
該部分實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)盤扇區(qū)的直接讀寫,，其中兩個(gè)很重要的函數(shù)為Bulkin和Bulkout,。此處只列出Bulkin函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
/**********************************
函數(shù)名稱：epB
ulkRcv
函數(shù)功能：實(shí)現(xiàn)bulkonly協(xié)議中的Bulkin函數(shù)
輸入?yún)?shù)：pBuffer為數(shù)據(jù)的地址，len為數(shù)據(jù)的長度
返回值：TRUE為成功,，F(xiàn)ALSE為失敗
**********************************/
unsigned char epBulkRcv(unsigned char *pBuffer,unsigned int len){
usbstack.usbaddr=0x1;
usbstack.endpoint=usbstack.epbulkin;
usbstack.pid=PID_IN;
//設(shè)置包長度為64
usbstack.wPayload=64;
usbstack.wLen=len;
usbstack.buffer=pBuffer;
if(usbstack.wLen){
if(!usbXfer())
return FALSE;
}
return TRUE;
}
2.
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1.3 FAT16/FAT32文件格式的實(shí)現(xiàn)
該部分程序是根據(jù)FAT16/FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的讀,、寫,、創(chuàng)建、刪除等操作,。優(yōu)盤上的數(shù)據(jù)按照其不同的特點(diǎn)和作用大致可分為5部分：MBR區(qū)（主引導(dǎo)記錄區(qū)）,、DBR區(qū)（系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)）、FAT區(qū)（文件分配表區(qū)）,、FDT區(qū)（文件目錄表區(qū)）和DATA區(qū)（數(shù)據(jù)區(qū)）,。
在實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的讀/寫時(shí)，首先根據(jù)MBR區(qū)和DBR區(qū)的大小,，找到FAT表的位置,，然后根據(jù)FAT表找出相應(yīng)文件的數(shù)據(jù)位置，即可對(duì)此文件進(jìn)行相應(yīng)的處理,。其具體實(shí)現(xiàn)涉及FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),，此處不再詳述。
2.2 VS1011B的控制與音樂文件數(shù)據(jù)輸入
本方案mp3播放器的實(shí)現(xiàn)原理就是控制器 從優(yōu)盤讀取MP3文件數(shù)據(jù),，當(dāng)VS1011B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)需要數(shù)據(jù)時(shí),，將數(shù)據(jù)送入VS1011B進(jìn)行解碼,。VS1011B采用串行接口，有兩種接口模式：
Native Modes（新模式）和Compatibility,；
Mode（兼容模式）,。當(dāng)?shù)刂窞?x0的MODE寄存器的SM_SDINEW位為1時(shí)為新模式；反之為兼容模式,。上電時(shí)默認(rèn)為新模式,。
在播放音樂之前，首先需要對(duì)VS1011B進(jìn)行初始化,，然后輸入音樂文件即可播放歌曲,。其控制步驟如下：[3]
① 拉低nRST1。
② 等待DREQ引腳信號(hào)變高,。
③ 寫寄存器MODE的參數(shù),，包括正確設(shè)置SM_SDINEW和SM_SDISHARED位。
④ 若時(shí)鐘數(shù)率非24.576 MHz,，應(yīng)設(shè)置SCI_CLOCKF,。
⑤ 若使用倍頻時(shí)鐘，試圖通過改變SCI_CLOCKF直接操作,，應(yīng)將適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾蕦懭隨CI_AUDATA寄存器,，等待至少11 000個(gè)時(shí)鐘后才可以操作高速的SPI通信。
⑥ 設(shè)置音量寄存器SCI_VOL,。
⑦ 若希望加強(qiáng)低音,，可設(shè)置寄存器SCI_BASS。
⑧ 從優(yōu)盤讀取一首MP3歌曲文件,，并開始傳送音樂數(shù)據(jù),。應(yīng)注意數(shù)據(jù)傳送的規(guī)則，DREQ信號(hào)是用來表示VS1011B的MP3數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否需要數(shù)據(jù),。當(dāng)VS1011B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可再接收32字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí),，DREQ引腳電平變高。當(dāng)軟件查詢到此引腳電平變高時(shí),，就再送入32個(gè)字節(jié)的MP3音樂數(shù)據(jù),。
⑨ 本首歌曲完成播放，讀取下一首MP3歌曲,，并轉(zhuǎn)到步驟⑧,。
結(jié)語
本文介紹了使用優(yōu)盤存儲(chǔ)MP3歌曲文件的一種MP3播放器的設(shè)計(jì)，其中軟件設(shè)計(jì)的難度較大,。此外VS1011B除支持MP3格式音樂文件外,，還支持WAV格式等，改變一下軟件即可播放WAV文件格式的音樂,。如果MP3播放器設(shè)計(jì)帶有液晶屏,，則可以通過把相應(yīng)的歌曲歌詞存儲(chǔ)在優(yōu)盤上,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)歌詞顯示等功能。
雖然這里給出的只是優(yōu)盤在嵌入式系統(tǒng)中的一個(gè)應(yīng)用示例,，但在此基礎(chǔ)上很容易演變出別的功能,。例如對(duì)本系統(tǒng)稍加改變，即可把優(yōu)盤換成USB移動(dòng)硬盤,，這樣可以有更大的存儲(chǔ)容量,。在這種大存儲(chǔ)容量的基礎(chǔ)上，才能設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)容量要求較大的MP4播放器,、硬盤攝像機(jī)等,。另外，本文的設(shè)計(jì)思路還可以應(yīng)用在以嵌入式為核心的許多其他工業(yè)或消費(fèi)類電子產(chǎn)品中,，如數(shù)據(jù)采集保存器,、數(shù)碼相機(jī)等，方便地實(shí)現(xiàn)與PC的數(shù)據(jù)交換,。