引言
隨著mp3播放器作為消費類產(chǎn)品的普及，MP3的設(shè)計與生產(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 使用功能強大的MCU進行軟解碼，如使用DSP或是高性能的ARM。此種方案較為靈活，通過軟件升級即可實現(xiàn)產(chǎn)品的升級。
MP3播放器的存儲介質(zhì)一般采用Flash存儲芯片。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的移動存儲器。本文研究的一種方案是在上述MP3設(shè)計方案②的基礎(chǔ)上，外擴優(yōu)盤讀寫電路，使存儲介質(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)存儲數(shù)據(jù)用的問題，使U盤的使用范圍擴展到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)存儲器使用的設(shè)計方案，為在微計算機測控系統(tǒng)、儀器儀表、無紙化數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)碼相機等產(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
S3C44B0X是Samsung公司開發(fā)生產(chǎn)的為嵌入式設(shè)備提供的一個低成本、高性能的ARM7TMDI核處理器，其最高運行頻率可達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，能自動偵測低速模式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單地與微控制器相連，SL811HS芯片與S3C44B0X的接口較為簡單。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，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的中斷請求信號線。當(dāng)SL811HS檢測到優(yōu)盤插入、拔出時，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。對狀態(tài)寄存器進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方式存儲和使用4字節(jié)對齊方式[1]，并且當(dāng)采用16位數(shù)據(jù)總線時，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)請求端口、數(shù)字片選信號線、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。為了簡化電路，此處選用了新模式。
2 軟件設(shè)計
2.1 優(yōu)盤讀寫軟件的實現(xiàn)
USB組織定義了海量存儲設(shè)備類（mass storage class）的規(guī)范。這個類規(guī)范包括4個獨立的子類規(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)盤屬于海量存儲設(shè)備，遵循bulkonly傳輸協(xié)議，子類采用UFI命令集。本設(shè)計軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中兩條點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)議的實現(xiàn)
該部分實現(xiàn)S3C44B0X對SL811HS芯片的直接底層數(shù)據(jù)的讀寫，包括對SL811HS的初始化及讀/寫一個字節(jié)的函數(shù)。限于篇幅，此處只列出對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)議層的實現(xiàn)
該部分實現(xiàn)對優(yōu)盤扇區(qū)的直接讀寫，其中兩個很重要的函數(shù)為Bulkin和Bulkout。此處只列出Bulkin函數(shù)的實現(xiàn)：
/**********************************
函數(shù)名稱：epB
ulkRcv
函數(shù)功能：實現(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文件格式的實現(xiàn)
該部分程序是根據(jù)FAT16/FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對文件的讀、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)）。
在實現(xiàn)對文件的讀/寫時，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，即可對此文件進行相應(yīng)的處理。其具體實現(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，將數(shù)據(jù)送入VS1011B進行解碼。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時為新模式；反之為兼容模式。上電時默認(rèn)為新模式。
在播放音樂之前，首先需要對VS1011B進行初始化，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 若時鐘數(shù)率非24.576 MHz，應(yīng)設(shè)置SCI_CLOCKF。
⑤ 若使用倍頻時鐘，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個時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，DREQ引腳電平變高。當(dāng)軟件查詢到此引腳電平變高時，就再送入32個字節(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MP3歌曲文件的一種MP3播放器的設(shè)計，其中軟件設(shè)計的難度較大。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)計帶有液晶屏，則可以通過把相應(yīng)的歌曲歌詞存儲在優(yōu)盤上，實現(xiàn)實時歌詞顯示等功能。
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。例如對本系統(tǒng)稍加改變，即可把優(yōu)盤換成USB移動硬盤，這樣可以有更大的存儲容量。在這種大存儲容量的基礎(chǔ)上，才能設(shè)計對存儲容量要求較大的MP4播放器、硬盤攝像機等。另外，本文的設(shè)計思路還可以應(yīng)用在以嵌入式為核心的許多其他工業(yè)或消費類電子產(chǎn)品中，如數(shù)據(jù)采集保存器、數(shù)碼相機等，方便地實現(xiàn)與PC的數(shù)據(jù)交換。