有一個東西你一定聽說過或用過，那就MP3播放器。MP3播放器以其小巧的體積、強大的功能、優(yōu)異的音質(zhì)倍受人們的青睞。如果把它嵌入到我們的單片機系統(tǒng)中，實現(xiàn)音頻輸出，那么對系統(tǒng)的增色是不言而喻的。單獨拿單片機來說，要解碼MP3文件，是不可能的，因為從處理速度和資源各個方面都是不能滿足要求的。所以要依賴于專用MP3解碼芯片，而單片機要作的就是對其進行控制。這里我們圍繞芬蘭VLSI公司出品的VS1003來進行解MP3的實現(xiàn)方法。
1、VS1003芯片
1）芯片簡介
VS1003是由荷蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA/MIDI音頻解碼和ADPCM編碼芯片，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP，5K的指令RAM，0.5K的數(shù)據(jù)RAM，串行的控制和數(shù)據(jù)輸入接口， 4個通用IO口，一個UART口；同時片內(nèi)帶有一個可變采樣率的ADC、一個立體聲DAC以及音頻耳機放大器。
VS1003通過一個串行接口來接收輸入的比特流，它可以作為一個系統(tǒng)的從機。輸入的比特流被解碼，然后通過一個數(shù)字竟是控制器到達一個18位過采樣多位 ε-ΔDAC。通過串行總線控制解碼器。除了基本的解碼，在用戶RAM中它還可以做其他特殊應(yīng)用，例如DSP音效處理。
2）芯片實物與SiriuS板上的VS1003
3）芯片封裝
以下的講述都是針對于LQFP-48封裝的。
4）VS1003特性
1.能解碼MPEG1 與MPEG2音頻層III（CBR+VBR+ABR）;WMA 4.0/4.1/7/8/9 5~384kbps所有流文件;WAV（PCM+IMA AD-PCM）;產(chǎn)生MIDI/SP-MIDI文件。
2.對話筒輸入或線路輸入的音頻信號進行IMA ADPCMM編碼
3.支持MP3和WAVV流
4.高低音控制
5.單時鐘12~13MHz
6.內(nèi)部PLLL鎖相環(huán)時鐘倍頻器
7.低功耗
8.內(nèi)含高性能片上立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，兩聲道間無相位差
9.內(nèi)含能驅(qū)動30歐負載的耳機驅(qū)動器
10.模擬，數(shù)字，I/O單獨供電
11.為用戶代碼和數(shù)據(jù)準備的5.5KB片上RAM
12.串行的控制/數(shù)據(jù)接口
13.可被用作微處理器的從機
14.特殊應(yīng)用的SPI Flash引導
15.借高度用途的UART接口
16.新功能可以通過軟件和4 GPIO添加
5）VS1003的引腳定義
|
管腳名稱 |
LQFP-48 |
管腳類型 |
管腳功能 |
|
MICP |
1 |
AI |
同相差分話筒輸入，自偏壓 |
|
MICN |
2 |
AI |
反相差分話筒輸入，自偏壓 |
|
XRESET |
3 |
DI |
低電平有效，異步復位端 |
|
DGND0 |
4 |
DGND |
處理器核與I/O地 |
|
CVDD0 |
5 |
CPWR |
處理器核電源 |
|
IOVDD0 |
6 |
IOPWR |
I/O電源 |
|
CVDD1 |
7 |
CPEW |
處理器核電源 |
|
DREQ |
8 |
DO |
數(shù)據(jù)請求，輸入總線 |
|
GPIO/DCLK |
9 |
DIO |
通用I/O2 /串行數(shù)據(jù)總線時鐘 |
|
GPIO3/SDATA |
10 |
DIO |
通用I/O3 /串行數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) |
|
XDCS/BSYNC |
13 |
DI |
數(shù)據(jù)片選端/字節(jié)同步 |
|
IOVDD1 |
14 |
IOPWR |
I/O 電源 |
|
VCO |
15 |
DO |
時鐘壓控振蕩器VCO 輸出 |
|
DGND1 |
16 |
DGND |
處理器核與I/O 的地 |
|
XTALO |
17 |
AO |
晶振輸出 |
|
XTALI |
18 |
AI |
晶振輸入 |
|
IOVDD2 |
19 |
IOPWR |
I/O 電源 |
|
DGND2 |
20 |
DGND |
處理器核與I/O 地 |
|
DGND3 |
21 |
DGND |
處理器核與I/O 地 |
|
DGND4 |
22 |
DGND |
處理器核與I/O 地 |
|
XCS |
23 |
DI |
片選輸入，低電平有效 |
|
CVDD2 |
24 |
CPWR |
處理器核電源 |
|
RX |
26 |
DI |
UART接收口，不用時接IOVDD |
|
TX |
27 |
DO |
UART發(fā)送口 |
|
SCLK |
28 |
DI |
串行總線的時鐘 |
|
SI |
29 |
DI |
串行輸入 |
|
SO |
30 |
DO3 |
串行輸出 |
|
CVDD3 |
31 |
CPWR |
處理器核電源 |
|
TEST |
32 |
DI |
保留做測試，連接至IOVDD |
|
GPIO0/SPIBOOT |
33 |
DIO |
通用I/O0 /SPIBOOT,使用100K 下拉電阻 |
|
GPIO1 |
34 |
DIO |
通用I/O1 |
|
AGND0 |
37 |
APWR |
模擬地，低噪聲參考地 |
|
AVDD0 |
38 |
APWR |
模擬電源 |
|
RIGHT |
39 |
AO |
右聲道輸出 |
|
AGND1 |
40 |
APWR |
模擬地 |
|
AGND2 |
41 |
APWR |
模擬地 |
|
GBUF |
42 |
AO |
公共地緩沖器 |
|
AVDD1 |
43 |
APWR |
模擬電源 |
|
RCAP |
44 |
AIO |
基準濾波電容 |
|
AVDD2 |
45 |
APWR |
模擬電源 |
|
LEFT |
46 |
AO |
左聲道輸出 |
|
AGND3 |
47 |
APWR |
模擬地 |
|
LINE IN |
48 |
AI |
線路輸入 |
6）VS1003的功能寄存器
VS1003共有16個16位的寄存器，地址分別為0X0~0XF;除了模式寄存器（MODE，0X0）和狀態(tài)寄存器（STATUS，0X1）在復位后的初始值分別為0X800和OX3C外，其余的寄存器在VS1003初始化后的值均為0。下面將VS1003各寄存器逐一進行介紹。
1.MODE（地址：0X0 可讀寫）
bit0:SM_DIFF
SM_DIFF=0 正常音頻相位
SM_DIFF=1 左聲道反轉(zhuǎn)
當SM_DIFF置位時，VS1003將左聲道反相輸出，立體聲輸入將產(chǎn)生環(huán)繞效果，對于單聲道輸入將產(chǎn)生差分（反相）左/右聲道信號。
bit1:SM_SETTOZERO
置零。
bit2:SM_RESET
SM_RESET=1，VS1003軟復位。軟復位之后該位會自動清零。
bit3:SM_OUTOFWAV
SM_OUTOFWAV=1,停止WAV解碼。
當你要中途停止WAV、WMA或者MIDI文件的解碼時，置位SM_OUTOFWAV，并向VS1003持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)（對于WAV文件發(fā)送0）直到將SM_OUTOFWAV清零;同時SCI_HIDAT1也將被清零。
bit4:SM_PDOWN
SM_PDOWN=1，軟件省電模式，該模式不及硬件省電模式（可由VS1003的XRESET來激活）。
bit5:SM_TESTS
SM_TESTS=1，進入SDI測試模式。
bit6:SM_STREAM
SM_STREAM=1,使能VS1003的流模式。
bit7:SM_PLUSV
SM_PLUSV=1，MP3+V解碼使能。
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總線字節(jié)數(shù)據(jù)MSB在前，即須先發(fā)送MSB;
SM_SDIORD=1，SDI總線字節(jié)數(shù)據(jù)LSB在前，即須先發(fā)送LSB;
該位的設(shè)置不會影響SCI總線。
bit10:SM_SDISHARE
SM_SDISHARE=1,SDI與SCI將共用一個片選信號（同時SM_SDINEW=1），即將XDCS與XCS這兩根信號線合為一條，能省去一個IO口。
bit11:SM_SDINEW
SM_SDINEW=1，VS1002本地模式（新模式）。VS1003在啟動后默認進入該模式。（這里所說的模式指的是總線模式。）
bit12:SM_ADPCM
SM_ADPCM=1，ADPCM錄音使能。
同時置位SM_ADPCM和SM_RESET將使能VS1003的IMA ADPCM錄音功能。
bit13:SM_ADPCM_HP
SM_ADPCOM_HP=1，使能ADPCM高通濾波器。同時置位SM_ADPCM_HP、SM_ADPCM和SM_RESET將開啟ADPCM錄音用高通濾波器，對錄音時的背景噪音有一定的抑制作用。
bit14:SM_LINE_IN
錄音輸入選擇，SMLINE_IN=1,選擇線入（line in）;SM_LINE_IN=0，選擇麥克風輸入（默認）。
2.SCI_STATUS(地址：0X1 可讀寫)
SCI_STATUS為VS1003的狀態(tài)寄存器，提供VS1003當前狀態(tài)信息。
3.SCI_BASS(地址：0X2 可讀寫)
重音/高音設(shè)置寄存器。
VS1003的內(nèi)置的重音增強器VSBE是種高質(zhì)量的重音增強DSP算法，能夠最大限度的避免音頻削波。當SB_AMPLITUDE（bit:7~4）不為零時，重音增強器將使能。可以根據(jù)個人需要來設(shè)置SB_AMPLITUDE。例如，SCI_BASS=0x00f6，即對60Hz以下的音頻信號進行 15dB的增強。當ST_AMPLITUDE（bit:15~12）不為零時，高音增強將使能。例如，SCI_BASS=0x7a00，即10kHz以上的音頻信號進行10.5dB的增強。
4.SCI_CLOCKF(地址：0X3 可讀寫)
bit15~bit13:SC_MULT
時鐘輸入XTALI的倍頻設(shè)置，設(shè)置之后將啟動VS1003內(nèi)置的倍頻器。
bit12~bit11:SC_ADD
用于在WMA流解碼時給倍頻器增加的額外的倍頻值。
bit10~bit0:SC_FREQ
當XTALI輸入的時鐘不是12.288M時才需要設(shè)置該位段，其默認值為0,即VS1003默認使用的是12.228M的輸入時鐘。
5.SCI_DECODE_TIME(地址：0X4 可讀寫)
解碼時間寄存器。當進行正確的解碼時，讀取該寄存器可以獲得當前的解碼時長（單位為秒）。可以更改該寄存器的值，但是新值須要對該寄存器進行兩次寫操作。在每次軟件復位或是WAV(PCM、IMA ADPCM、WMA、MIDI)解碼開始與結(jié)束時SCI_DECODE_TIME的值將清零。
6.SCI_AUDATA(地址：0X5 可讀寫)
當進行正確的解碼時，該寄存器的值為當前的采樣率（bit:15~bit1）和所使用的聲道（bit0）。采樣率須為2的倍數(shù);bit0=0，單聲道數(shù)據(jù)，bit0=1，立體聲數(shù)據(jù)。寫該寄存器半直接改變采樣率。
7.SCI_WRAM(地址：0X6 可讀寫)
讀寄存器用來加載用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)到VS1003的指令的數(shù)據(jù)RAM中。起始地址在SCI_WRAMADDR中進行設(shè)置，且必須先于讀寫 SCI_WRAM。對于16位的數(shù)據(jù)可以在進行一次SCI_WRAM的讀寫中完成;而對32位的指令字來說則需要兩次連續(xù)讀寫。字節(jié)順序是大端模式，即高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。在每一次完成全字讀寫后，內(nèi)部指針將自動增加。
8. SCI_WRAMADDR(地址：0X7 可讀寫)
用于設(shè)置RAM讀寫的首地址。
9.SPI_HDAT0gng SPI_HDAT1(地址：0X8 只讀)
這兩個寄存器用來存放所解碼的音頻文件的相關(guān)信息，為只讀寄存器。
當為WAV文件時，SPI_HDAT0=0X7761，SPI_HDAT1=0X7665;
當為WMA文件時，SPI_HDAT0的值為解碼速率（字節(jié)/秒），要轉(zhuǎn)換為位率的話則將SPI_HDAT0的值乘8即可，SPI_HDAT1=0X574D;
當為MIDI文件時，SPI_HDAT0的值可以參考VLSI的技術(shù)文檔第33頁，SPI_HDAT1=0X4D54;
當為MP3文件時，SPI_HDAT0和SPI_HDAT1包含較為復雜的信息（來自于解壓之后的MP3文件頭），包括當前正在 解碼的MP3文件的采樣率、位率等，具體請參考數(shù)據(jù)手冊的第33頁到第34頁。復位后SPI_HDAT0和SPI_HDAT1將清零。
10.SCI_AIADDR(地址：0XA 可讀寫)
用戶應(yīng)用程序的起始地址，初始化先于SCI_WRAMADDR和SCI_WRAM。如果沒有使用任何用戶應(yīng)用程序，則該寄存器不應(yīng)進行初始化，或是將其初始化為零。
11.SCI_VOL(地址：0XB 可讀寫)
音量控制寄存器。高八位用于設(shè)置左聲道，低八位用于設(shè)置右聲道。設(shè)置值為最大竟是的衰減倍數(shù)，步進值為0.5dB，范圍為0到255.最大竟是的設(shè)置值為 0x0000，而靜音為0xffff。例如，左聲道：-2.0dB，右聲道：-3.5dB，則SCI_VOL=(4X256)+7=0x0407。硬件復位將使SCI_VOL清零（最大音量），而軟件復位將不改變音量設(shè)置值。
（設(shè)置靜音(SCI_COL=0XFFFF)將關(guān)閉模擬部分的供電。）
12.SCI_AICTRL[X](地址：0XC~0XF 可讀寫)
用于訪問用戶應(yīng)用程序。
7）VS1003有應(yīng)用電路
2、VS1003的驅(qū)動方法
這里就來介紹單片片對VS1003的控制方法，最終實現(xiàn)MP3播放。
1）準備工作
在對VS1003進行驅(qū)動之前，我們需要確保以下幾點已經(jīng)沒問題，否則后面的工作都將是沒有意義的。
1.VS1003各部分的供電電壓與輸出電壓值是不同的。
|
供電部分 |
最小電壓 |
推薦電壓 |
最大電壓 |
|
AVDD（模擬部分） |
2.5V |
2.8V |
3.6V |
|
CVDD（數(shù)字部分，內(nèi)核） |
2.4V |
2.5V |
2.7V |
|
IOVDD（I/O電壓） |
CVDD-0.6V |
2.8V |
3.6V |
2.VS1003與單片機正確可靠連接。
VS1003與單片機連接的引腳主要有7個，分別為 SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS。只有保證它們與單片機正確可靠的連接，才能對VS1003進行有效的操作與控制。
2）寫命令操作
要控制VS1003首先要實現(xiàn)的就是寫命令，這是控制是否成功的前提。關(guān)于通信接口部分，是一種同步串行接口方式（SPI從機模式），它要求SCLK信號必須由外部電路產(chǎn)生，數(shù)據(jù)（SDATA）在SCLK的上升沿或下降沿時被寫入。在筆者的實驗中，采用的是軟件模擬SPI，讀者也可以選用帶有硬件SPI的單片機（如STC12系列、AVR系列等），驅(qū)動效果會更好。寫命令的過程如下：
1.等待DREQ為高（當DREQ為低時，說明芯片還沒有就緒）
2.將XCS（命令片選）拉低
3.寫入0x02
4.寫入寄存器地址
5.分別寫入數(shù)據(jù)的高字節(jié)與低字節(jié)
6.將XCS置高
實現(xiàn)代碼如下：
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
如其它芯片一樣，初始化對于VS1003來說同樣是極其重要的。初始化的過程大致是這樣的：
1.硬件復位：接XRESET拉低
2.延時，將XDCS、XCS、XRESET置高
3.向MODE中寫入0X0804
4.等待DREQ為高
5.設(shè)置VS1003的時鐘：SCI_CLOCKF=0x9800，3倍頻
6.設(shè)置VS1003的采樣率：SPI_AUDATA=0xbb81，采樣率48k，立體聲
7.設(shè)置重音：SPI_BASS=0x0055
8.設(shè)置音量：SCI_VOL=0x2020
9.這一步被很多人忽視，向VS1003發(fā)送4個字節(jié)的無效數(shù)據(jù)，用以啟動SPI發(fā)送
實現(xiàn)代碼如下：
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);
}
在進行了正確的初始化后，還要著重檢查一下VS1003的模擬部分是否正常
將VS1003的所有DVDD、AVDD管腳以及XRESET、TEST（第32個引腳）接+3.0V，然后測量RCAP引腳，它應(yīng)該是1.3V左右，否則芯片模擬部分未正常工作。
4）正弦測試
在上面的各種操作與檢測沒有問題后，就可以讓VS1003放出聲音了。可以利用VS1003自帶的正弦測試對音頻輸出進行測試。要啟動 VS1003的正弦測試，需要向其寫入正弦測試命令。這里提供啟動正弦測試的流程，在真實的硬件運行通過，最終的效果是在耳機中聽到單一頻率的正弦音（頻率可以通過程序來更改）。
具體流程如下：
1.進入VS1003的測試模式：SPI_MODE=0X0820
2.等待DREQ為高
3.將XDCS接低，而XCS要置高，選擇VS1003的數(shù)據(jù)接口
4.向VS1003發(fā)送正弦測試命令：0X53 0XEF 0X6E 0X30 0X00 0X00 0X00 0X00
其中0X30為頻率，用戶可以修改為其它值
5.延時一段時間
6.退出正弦測試，發(fā)送命令：0X45 0X78 0X69 0X74 0X00 0X00 0X00 0X00
7.延時一段時間
8.循環(huán)以上流程
實現(xiàn)代碼如下：
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;
}
如果能夠通過這一步，就說明你的VS1003已經(jīng)做好了為你播放MP3的準備了。下面的工作 就是將MP3文件的數(shù)據(jù)有條不紊地發(fā)給VS003,讓它來為你完成MP3的解碼和播放任務(wù) 。
5）MP3文件數(shù)據(jù)寫入
以上的對VS1003的初始化與測試都通過后，現(xiàn)在就可以給它發(fā)送MP3文件了。但是這時就又出現(xiàn)一個新的問題。MP3文件通常是比較大的，小的也要1M~2M，如果使單片機內(nèi)部的Flash Rom的話，容量是遠遠不夠的。需要有一種大容量的存儲器來作為MP3文件的載體。在筆者的調(diào)試系統(tǒng)中采用了SD卡（256M）、U盤（1G）與移動硬盤（40G）來存儲MP3文件。關(guān)于SD卡與U盤的讀寫方法可以參看相關(guān)章節(jié)。這些大容量的存儲設(shè)備通常也是按照扇區(qū)來進行讀寫的，但在實際的應(yīng)用中更多的是結(jié)合FAT32等文件系統(tǒng)來進行文件讀寫。文件系統(tǒng)部分可以參照《FAT32的存儲機制及其在單片機中的實現(xiàn)》。
這里拋開存儲介質(zhì)不談，只談數(shù)據(jù)的寫入方法。其實寫入數(shù)據(jù)的方法十分簡單。主要就是看DREQ信號，在VS1003的FIFO能夠接受數(shù)據(jù)的時候輸出高電平。每次可以寫入32個字節(jié)的數(shù)據(jù)。而DREQ變低時，單片機就要停止數(shù)據(jù)的發(fā)送。
具體的寫數(shù)據(jù)的方法如下：
1.將XDCS拉低
2.等待DREQ為高
3.通過SPI寫入數(shù)據(jù)
4.在文件沒有結(jié)束前不斷重復2與3操作
5.在所有的數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢后，最后發(fā)送2048個無效字節(jié)，用以清除VS1003的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
6.將XDCS置高
以下是筆者的程序中的寫數(shù)據(jù)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;