基于STM32的MP3设计.docx

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基于STM32的MP3设计

摘要

本篇论文主要介绍的一款基于Crotex3内核设计的的MP3播放器。

采用STM32F103A系列微处理器作为播放器的CPU，采用由凌通公司生产的DS250-10芯片作为音乐解码芯片。

利用MPU6050运动处理模块收集MP3播放器的加速度、空间位置等运动信息，用以控制MP3播放器的播放/暂停、上一首/下一首等功能的实现。

通过BQ2057电源管理芯片对锂电池进行充电管理。

音量是由光敏电阻收集到的环境光强信息控制。

无需按键，用户只需要通过改变播放器的空间位置，就可以控制播放器的功能实现。

增加了操作的趣味性，提高了用户的操作体验。

使得在如今新鲜招数层出不穷的MP3市场更有竞争力。

关键词：

MP3播放器，加速度，环境光感应，STM32，DS205-A103

Abstract

Thispaperdescribesthedesignofakernel-basedCrotex3oftheMP3player.UsingSTM32F103ASeriesmicroprocessorastheplayeroftheCPU,usingtheLingTongproducedDS250-10chipasthemusicdecodingchip.UseMPU6050motionprocessingmodulecollectsaccelerationMP3player,sportssuchasspatiallocationinformation,tocontroltheMP3player,play/pause,previous/nexttrackfunctionssuchimplementation.ByBQ2057powermanagementchipforlithiumbatterychargemanagement.Volumeisaphotoresistorlightcollectedinformationcontrolenvironment.Nobuttons,theuseronlyneedsbychangingthespatialpositionoftheplayer,theplayercancontroltherealizationofthefunction.Increasesoperationalinterest,improvingtheuser'soperatingexperience.Makingfreshtricksemergingintoday'sMP3marketmorecompetitive.

Keywords:

MP3player,accelerometer,ambientlightsensor,STM32,DS205-A103

第一章概述

1.1MP3〔MovingPictureExpertsGroupAudioLayerIII〕

1、MP3音频编码方式

MP3是一种近十年来新兴的音频压缩技术，其全称为动态影像专家压缩标准音频层面3〔MovingPictureExpertsGroupAudioLayerIII〕，取其首字母缩写命名为MP3。

它的出现使得音频数据量得到了很大的降低。

利用此项MovingPictureExpertsGroupAudioLayerIII技术，可以使音乐到达1:

10或者更多〔1:

12〕的压缩率，使得压缩后的音频文件明显减小，相对于大多数普通用户而言，MP3格式的音频文件与未经过压缩的原音频文件相比，音质与体验并没有明显的区别。

这使得MP3技术以及MP3音频格式的文件十分盛行。

它的发明人是在1991年由德国一个名为埃尔朗根的研究组织中的一组工程师发明，并对其进行了标准化定义。

MP3之所以可以将音频文件以很大的压缩率压缩是由于人耳对某些高频的声音信号并不敏感，利用这一点，将原格式音频文件中的时域波形信号经软件转换为特殊的频域信号，并按标准将其化分为多个小范围频段，对于不同的音频频段选择不同的压缩率进行压缩，将人耳不用意听到的高频使用很大的压缩比，有时甚至会忽略某些高频信号，而对与人耳较敏感的低频信号采用很小的压缩率，保证音频中段的信号不有失真。

因为去掉了人耳不能听见的高频部分，又很好的保留了人耳可以听见的中低音频部分，所以可以使得压缩率到达1∶10甚至更高的1∶12。

随着时代的进步，MPEG格式也在不断的发展，如今MPEG4已经渐渐的走入人们的视线。

其中AAC格式更是将会逐渐取代如今的MP3格式成为下一代的音频格式主角。

当今人们所说的MP3是对于MP3格式的一个总称。

其中分为耳机形MP3和外放形MP3这两类，传统的MP3格式想要获得较好的音质需要配戴耳机才可以实现，但经过科学研究，长期配戴耳机对人耳会造成很大的伤害，这也就促成了MP3向着新的方面发展——外方形MP3格式，这种格式的音频文件适用于外放音乐，对人耳几乎没有伤害，得到了大家的追捧。

表示MP3品质的参数为Kpbs，32pbs的MP3音频文件已经与FLAC〔CD提取文件格式〕和APE〔无损压缩格式〕在音质上已经几乎没有差异，但仍然保持着相对较小的体积〔一首歌曲大约1B左右〕，与之前的两种个相比，有着明显的体积优势，更适合应用在移动存储的音乐播放器上。

2、MP3格式的音频文件

MP3音频文件就是利用MPEGAudioLayer3技术，将音乐压缩到原先文件大小的十分之一甚至十二分之一，这样生成的音频文件体积会大大减小，也可以解释成，在基本上不影响用户在听音乐的感受的基础上将音乐文件的体积大大减小，同时还很好的保留了原音频文件基本音质音效。

由于MP3音频文件具有体积小同时音乐质量较好的特点，迅速替代了大部分格式的音频文件，几乎成为了流行音乐的一种标志。

12pbs质量的MP3文件，基本维持在6/Mb的比例，也就是说每B的MP3音频文件的播放时间在60秒左右，较高品质的列如32pbs的MP3音频文件大概在2/Mb。

利用支持MP3格式的音乐播放器即MP3播放器对MP3音频文件进行解码播放，这便是我们平时所听到的MP3音乐。

〔1〕优点：

MP3格式音频文件的优点大致总结为三点：

一是由于MP3格式对音频文件进行了部分压缩，使得文件体积大大减小。

应用在移动存储设备上时，同样的存储空间可以存储更多的音乐；二是对于用户来说，不再局限于整盘的CD，是自己在音乐的选择上更加灵活多样。

三是其实用的播放器结构相对简单，不再像老式CD机那样播放中不可震动，同时体积较小，携带更加方便，可在运动中的同时享受音乐。

〔2〕缺点：

所谓鱼和熊掌不可兼得，MP3格式的音频文件同样存在着缺点。

由于MP3音频文件的音频压缩过程是一种有损压缩，去掉了人耳不能听到或较不容易听到的高频段声音，只留下了人耳可以听到音频范围内的频段，所以相对于CD等无损音质音乐来说，虽然不明显，但音质上的损失是不可防止的。

但其实这点的影响微乎其微，因为这些音质的损失对于大部分人来说是无法发觉的。

〔3〕音频质量：

因为MP3是一种有损格式，它提供了多种不同“位速”的选项—也就是用来表示每秒音频所需的编码数据位数。

典型的速度介于每秒128和32b之间。

与此对照的是，CD上未经压缩的音频位速是1411.2kbit/s〔16位/采样点×44100采样点/秒×2通道）。

使用较低位速编码的MP3文件通常回放质量较低。

使用过低的位速，“压缩噪声〔：

en：

compressionartifact〕”〔原始录音中没有的声音〕将会在回放时出现。

说明压缩噪声的一个好例子是压缩欢呼的声音：

由于它的随机性和急剧变化，所以编码器的错误就会更明显，并且听起来就象回声。

除了编码文件的位速之外，MP3文件的质量也与编码器的质量以及编码信号的难度有关。

使用优质编码器编码的普通信号，一些人认为12bit/s的MP3以及44.Hz的CD采样的音质近似于CD音质，同时得到了大约11:

1的压缩率。

在这个比率下正确编码的MP3能够获得比调频广播和卡式磁带更好的音质，这主要是那些模拟介质的带宽限制、信噪比和其它一些限制。

然而，听力测试显示经过简单的练习测试听众能够可靠地区分出12bit/sMP3与原始CD的区别。

在许多情况下他们认为MP3音质太低是不可接受的，然而其他一些听众或者换个环境〔如在嘈杂的车中或者聚会上〕他们又认为音质是可接受的。

很显然，MP3编码的瑕疵在低端电脑的扬声器上比较不明显，而在连接到电脑的高质量立体声系统，尤其是使用高质量的headphone时则比较明显。

FraunhoferGesellschaft〔FhG〕在他们的官方网站上公布了下面的MPEG-1Layer1.2和3的压缩率和数据速率用于比较：

⊙Layer1:

384kbit/s，压缩率4:

1

⊙Layer2:

192...256kbit/s，压缩率8:

1...6:

1

⊙Layer3:

112...128kbit/s，压缩率12:

1...10:

1

不同层面之间的差异是因为它们使用了不同的心理声学模型导致的；Layer1的算法相当简单，所以透明编码就需要更高的位速。

然而，由于不同的编码器使用不同的模型，很难进行这样的完全比较。

许多人认为所引用的速率出于对Layer2和Layer3记录的偏爱而出现了严重扭曲。

他们争辩说实际的速率如下所列：

*Layer1:

384kbit/s优秀。

*Layer2:

256...384kbit/s优秀，224...256kbit/s很好，192...224kbit/s好。

*Layer3:

224...320kbit/s优秀，192...224kbit/s很好，128...192kbit/s好。

当比较压缩机制时，很重要的是要使用同等音质的编码器。

将新编码器与基于过时技术甚至是带有缺陷的旧编码器比较可能会产生对于旧格式不利的结果。

由于有损编码会丧失信息这样一个现实，MP3算法通过建立人类听觉总体特征的模型尽量保证丢弃的部分不被人耳识别出来〔例如，由于noisemasking〕，不同的编码器能够在不同程度上实现这一点。

3、MP3播放器

麻雀虽小但五脏俱全，MP3播放器同样具备CPU、存储、解码等设备。

MP3播放器在控制上一般分为按键控制和触屏控制，但无论哪种控制方式，用户发出的指令都会传送给MP3的CPU，CPU接受到控制指令后会发送指令给MCU，控制MCU从存储设备上读取所需要的音频文件，完成用户所需要的功能。

MP3音频文件要想播放需要经过MCU的解码，解码的过程可以理解为反向解码，把在MP3音频文件生成过程中压缩的部分尽可能最大的复原出来。

但此时用户仍然无法听到音乐，这时便需要利用数模转换器将解码出来的数字信号转换为人耳可以听到的模拟信号经由信号放大器放大再发送到功放部分，例如耳机、音响等。

MP3不仅是人们享受音乐的工具，同时也是学习的一种重要工具，将课程录制下来，或是许多英语学习书籍中提供的MP3格式学习资料，都会让我们的学习事半功倍。

1.2MP3以及MP3播放器的发展趋势

自从第一款MP3播放器诞生以来，历经十余年，MP3播放器经过了极大的发展与改变。

同、相机等产品一样，正在向着功能多元化方向发展。

不得不说，如今随着电子产品的不断发展，同一件电子产品所具备的功能越来越多，如拍照、听音乐等已成为了的基本功能。

又如平板电脑的诞生，更是使得许多功能在不同的电子产品上出现了功能重叠的现象。

MP3音乐播放器作为一款功能相对单一的电子产品，受到了不小的市场冲击。

但是虽然如此，MP3在音乐播放时长仍然有他的一席之地，这其中的原因之一就是电子产品的续航问题。

如今很少有人用来播放音乐，正是由于如今的主流待机续航时间基本为一天左右，但这只是在正常使用的情况下，如果加上播放音乐等功能，可能半天时间就已经没电了。

所以物尽其用，对于播放音乐来说，大部分人的选择还是MP3播放器。

但如今MP3播放器不仅受到其他的电子产品冲击，自身竞争也同样激烈。

越来越多变的造型以及工业设计新元素的添加，让MP3能够持久地焕发着生机和活力。

倘假设站在潮流的浪尖往回看，视频概念，拍照功能，彩屏大屏拓展，巧克力按键，双层注塑亚克力面板，双核概念炒作，镜面工艺，2.8英寸超大屏幕，国内的主流MP3厂家似乎总能够保持一种默契，每隔一段不太长的时间就会为当时的MP3加入一些新的设计元素，让MP3在消费者面前，永远保持着新鲜的卖点和创新的活力。

三维感光音乐播放器正是在这种不断需要新鲜事物刺激眼球的背景下应运而生。

所谓三维感光音乐播放器，一改往常通过按键或触摸屏对播放器进行控制的方式，而选择通过感应光照强度以及位置的改变，从而进行对音乐间的切换。

通过外界自然光强度控制播放音量大小。

使得产品拥有更人性化的操作，同时也增强了操作中的趣味性，为用户带来更好的娱乐体验以及更完美的音乐体验。

1.3课题研究内容

此款产品主要由光敏电阻模块、6轴传感器模块、主控芯片模块、音乐解码芯片模块、TF卡模块、音频输出模块、电池模块、USB模块这八部分组成。

利用光敏电阻感知播放器所处环境的光强程度，根据光强程度来控制音乐的音量，并且利用6轴传感器感知播放器的位置以及位置变化的加速度值，根据6轴传感器的信息来决定播放器播放音乐的功能〔上一首、下一首、暂停、播放等〕。

播放器的音乐存储在TF卡中，方便TF卡中的音频文件更换。

播放器采用锂电池充电，播放器内置锂电池充电管理电路。

系统流程如图1.1所示

图1.1系统流程图

1.4章节安排

本文共分为六章，第一章为概述，简单的介绍了毕业设计所做的东西，以及一些相关知识。

第二章为介绍CPU〔STM310〕，包含CPU的参数介绍、所应用的功能介绍、以及CPU的电路原理图等。

第三章介绍了MP3播放器中所用到的MCU〔DS250-10〕的功能参数、原理图以及周边电路。

第四章主要讲述的为MP3播放器的控制模块，其中包含了红外控制、MPU6050三轴陀螺仪以及光敏电阻这三部分，这三部分也是MP3的获得操作指令的主要途径，是毕业设计中的重点之一。

第五章介绍的是MP3播放器的供电、充电以及保护电路。

介绍了BQ2057等芯片的一些信息及应用。

第六章包含了TF卡、USB模块、功放模块这剩余的三部分，涉及到了播放器数据存储、充电接口以及音频输出等内容。

第二章主控CPU芯片

2.1STM32F103A芯片的基本构成

STM32F103A的模块框图，如图2.1所示。

图2.1STM32F103A的模块框图

STM32F103A是以ARMCortex™-M3为内核的32位高性能微处理器，其工作的频率为7Hz。

片上含有51Flsh、6SRAM等高速存储设备。

由于具有APB总线，以及丰富的I/0接口，使其可多种增强型外设。

具备I²C接口两个，SPI接口三个以及USART接口五个，几乎为所有的设备都提供了便准通信的接口。

片内集成了两个位数为12的ADC转换器、一个位数为12的DAC〔双通道〕转换器、而16位得计时器更是多达11个。

2.1.1芯片特点

1、内核：

ARM32位Cortex™-M3CPU最高工作频率7Hz〔外部晶振为Hz，内部PLL倍频设置为9倍频〕，1.2MIPS/MHz。

单周期乘法和硬件除法。

而一般使用的51单片机则没有倍频的能力，常使用11.059Hz的晶振，处理能力比STM32系列单片机差很多。

2、复位和电源管理，2.0到3.的电源供电和I/O接口的驱动电压。

相比于51单片机，STM32F103A单片机片内集成了可编程的电压探测器〔PVD〕，可实时检测单片机的供电电压，在电压过低时，自动复位。

3、最多高达112个的快速I/O端口根据型号的不同，有26，37，51，80和112的I/O端口，所有的都可以映像到16个外部中断向量。

除了模拟输入，所有的都可以接受以内的输入。

4、可提供两种调试模式，串行调试〔SWD〕和JTAG接口调试。

这里选用的是SWD接口进行调试。

5、多达13个通信接口：

2个I²C接口〔SMBus/PMBus〕；5个USART接口〔ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调制控制〕；3个SPI接口〔1bit/s〕，2个与I复用；CAN接口（2.）；USB2.0全速接口；SDIO接口。

这里主要是使用UART接口。

由于一般的51单片机只有一个UART接口，但是本设计中要使用多达三个UART接口，普通的51单片机不能满足要求。

拥有大量的接口也是选择SEM3103单片机的重要原因。

2.1.2芯片应用

1、DMA：

12通道的通用DMA〔DMA1有7个通道，DMA2由5个通道〕可用于存储器到存储器，外设到存储器和存储器到外设的传输。

DMA控制器支持循环缓冲管理，从而防止了在到达缓冲区末端的时候产生中断。

每个通道都连接到专用的硬件DMA请求，同时支持软件触发。

由软件进行配置，源到目标的传输大小是独立的。

DMA可以和一些主要外设一起使用，包括SPI,IIC,IIS,USART，通用定时器TIMx，基本定时器，DAC和ADC。

2、独立看门狗：

独立看门狗基于12位的倒计数器和8位的预比较器。

由一个独立的4Hz的内部RC提供时钟。

由于和主时钟独立工作，所以它可以工作在停止和待机模式。

可以用作在系统出问题时来复位设备，也可以作为一个空转的定时器来用于应用程序的定时管理。

硬件或者软件都可以通过选项字节来配置，计数器在调时模式下可以冻结。

3、SysTick定时器：

该定时器是OS专用，但也可以用作标准的倒计数器。

特性：

一个24位的倒计数器；自动重载能力；当计数器为0时产生的系统中断是可屏蔽的；可编程的时钟源。

4、通用定时器〔TIMx〕：

STM310x设备最多自带4个同步标准定时器。

这些定时器基于一个16位自动重载顺序/倒序计数器和一个16位的预比较器。

每个定时器特有分别用于输入捕获，输出比较，PWM或者单脉冲模式输出的4个独立通道。

在最大的封装下可以提供多达12输入捕获/输出比较/PWM。

通过同步连接特性或事件链，定时器可以一起工作。

定时器在调时模式下可以冻结。

任何一个标准的定时器都可以用于产生PWM输出。

每一个定时器可以产生独立的DMA请求。

5、ADC〔模数转换器〕：

2个12位的模数转换器，每个多达16个外部通道，可以以单次或扫描模式进行转换。

在扫描模式下，自动转换在一组选定的模拟输入上进行。

ADC接口嵌入的附加逻辑功能支持：

同时采样并保持；交叉采样并保持；单并联。

ADC支持DMA。

如果转换电压在设置的限制之外会产生一个中断，特有的模拟看门狗可以对每个通道的转换电压进行精准监控。

标准定时器TIMx和高级控制定时器TIM1产生的事件可以内部连接到ADC开始触发器，插入触发器和DMA触发器，从而应用可以同步A/D转换和定时器。

6、串行线JTAG调试端口〔SWJ-DP〕：

芯片嵌入了ARMSWJ-DP接口，并且组合了JTAG和串行线调试端口。

JTAGTMS和TCK引脚分别和SWDIO和SWCLK复用。

如果要在JTAG-DP和SW-DP之间切换，只需要在TMS输入一个特定的序列。

2.2主控CPU电路

主控电路图如2.1.2所示

图2.2主控CPU电路

CPU各管脚在系统中的应用，如表2.1所示。

表2.1CPU各管脚在系统中的应用

网络标号

作用

使用功能

管脚

IR_INT1

红外控制

输出模拟的红外波形控制GPDS25音乐芯片实现功能

PA2

SWDIO,SWDCK

CPU所用SWD下载端

JLINK下载器所用端

PA13,PA14

X3,X3

CPU晶振

连接CPU晶振

OSC_IN,OSC_OUT

BOOT1,BOOT0

CPU启动端

BOOT1，BOOT0的电平组合决定CPU从那部分开始启动

PB2，BOOT0

NRST

复位端

NRST

3PWM

模拟晶振

输出模拟的PWM波形当作GPDS25音乐解码芯片的晶振

Pb6

ADC

AD采集信号

获取采集的光强数据

PA5

SCL,SDA

I²C通讯

与MPU6050芯片进行通讯

PB10,PB11

第三章音频解码芯片

3.1GPDS25芯片的基本构成

1、直接接受锂电池输入。

2、内建DC/DC->供电给外接U盘。

3、直推7-seg不需要外挂三极管。

4、支持更多收音规格模块。

5、主控外围简单,成本更低,功能更强,整BOM成本更具优势。

6、支持U盘、MMC、SD卡的播放。

7、内置3.LDO。

8、无需升压IC。

9、内置外部音源通道。

10、可调节外部音源声量。

11、支持MP3音乐格式支持USBHost2.ullSpeed协议。

12、支持10多个按键功能。

13、支持单曲循环、全部循环等多种播放模式。

14、支持NORMAL、POP、JAZZ、CLASS、BASS、ROCK等音效模式。

15、支持红外摇控器控制功能。

1、支持的音频格式MP3。

2、波特率:

2400USB。

3、接口规格USB2.0FullSpeed。

4、支持MMC、SD卡协议。

5、支持U盘文件系统FAT16/FAT32。

6、信噪比8B以上。

7、输出功率:

0.25-0.,可接耳机。

8、提供工作电源电压，工作电流20-6A，频率响应20~2Hz 

GPDS250系列相对GPDS208系列优势:

1.芯片内部集成LDO,省去原来老主控要用电源稳压管外围成本更低。

2.芯片内部集成4052,直接支持LINE_IN.省去原来老主控要用的4052切换FM/USB/SD。

3.支持更多收音规格模块。

支持目前市面上绝大部分收音IC。

4.直接推LED数码管,省去原来老主控要增5个三极管。

5.内置支持更多规格型号的LCD,直接推LCD。

6.内置升压电路,外围简单。

3.2DS250-10芯片电路

DS250-10芯片电路如下列图所示

图3.1DS250-10芯片电路

为了节约资源，并且减小成本。

DS250-10的晶振由STM32F103A模拟输出。

同时在PCB板上留有晶振的位置，用两个0欧姆电阻隔离开。

以防当STM32F103A模拟的PWM波形不可用时，可以安装DS250-10所需的晶振。

DACOL、DACOR分别为左声道与右声道输出端，与功放电路相连。

IR_INT1为红外控制引脚，本播放器采用CPU〔STM32F103A〕直接模拟红外输出，从而完成对音乐芯片的控制。

IOB2、IOB1、IOB0本别为SD0、SDCLK、SDCMD与TF卡相连，从TF中读取MP3音频格式的文件，经由DS250-10芯片解码为模拟信号由功放单元输出音频。

第四章控制模块

4.1三轴陀螺仪

4.1.1MPU6050芯片简介

MPU-60是全球首例9轴运动处理传感器。

它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP〔DigitalMotionProcessor〕，可用I²C接口连接一个第三方的数字传感器，比方磁力计。

扩展之后就可以通过其I²C或SPI接口输出一个9轴的信号〔SPI接口仅在MPU-6000可用〕。

MPU-60也可以通过其I²C接口连接非惯性的数字传感器，比方压力传感器。

MPU-60对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。

为了精确跟踪快速和慢速