基于优盘存储介质的MP3播放器设计

　　引言

　　播放器与存储器的一体化设计对MP3播放器的便携性起了关键性的作用，但与此同时，它又带来了很多新的问题。比如存储容量固定，如果想装下更多的歌曲只能去购买新的产品，造成了巨大的浪费。另一方面，一体化又限制了MP3播放器在其它领域的应用，比如汽车电子等。于是，将存储器与播放器分离，成为MP3的另一发展方向，也是开发这款U盘MP3播放器的意义所在。在当前的MP3播放器中，一般有以下几种设计方案：

　　① 外置独立的MP3硬解码芯片。此种方案的好处是可以使用众多的MCU，可根据需要任意选择。硬解码芯片典型的有VS1011B、STA013等芯片。

　　② MCU内置硬解码模块。典型的芯片有Atmel公司的AT89C51SNDI等芯片。

　　③  使用功能强大的MCU进行软解码，如使用DSP或是高性能的ARM。此种方案较为灵活，通过软件升级即可实现产品的升级。

　　随着USB技术和闪存技术的发展，优盘已经成为一种大众化的电子产品被广泛使用，但是一般只用作PC机的移动存储设备。在消费电子领域，如MP3,MP4等采用Flash存储芯片的设备，优盘还有很大的应用空间。本文研究的一种方案是在上述MP3设计方案①的基础上，外扩优盘读写电路，使存储介质使用普通的优盘。这样可以解决普遍使用的优盘只能作为PC外设存储数据用的问题，使U盘的使用范围扩展到MP3上。除此之外，更可以将优盘作为数据存储器使用的设计方案，为在微计算机测控系统、仪器仪表、无纸化数据记录仪、数码相机等产品中添加优盘外设功能提供有益的参考。

　　1  硬件设计

　　S3C44B0X是Samsung公司开发生产的为嵌入式设备提供的一个低成本、高性能的ARM7TMDI核处理器，其运行频率可达66 MHz。SL811HS是Cypress公司的一款遵从USB1.1协议的嵌入式Host/Slave USB芯片；可以支持低速和高速模式，能自动侦测低速模式1. 5 Mbps设备和高速模式12 Mbps全速设备。由于具有8位数据总线的支持，使该芯片可以较为简单地与微控制器相连，SL811HS芯片与S3C44B0X的接口较为简单。本系统中ARM读/写优盘原理框图如图1所示。

　　SL811HS的控制命令和数据均通过D0～D7传输，A0为数据或地址选择线。当A0置为低电平时，D0～D7上传输的是SL811HS片内寄存器的地址；反之当A0置为高电平时传输的则为数据。nWR、nRD、nCS、nRST0分别为写控制线、读控制线、片选线和复位线，S3C44B0X通过这几根控制线完成对SL811HS片内缓冲区的读写、片选和复位等操作。INT是SL811HS的中断请求信号线。当SL811HS检测到优盘插入、拔出时，通过将INT线拉高通知S3C44B0X。S3C44B0X可以通过查询SL811HS片内状态寄存器来得知是优盘插入或是拔出。对状态寄存器进行写操作可以清除中断，但需要注意的是ARM的结构特性。ARM内部通常是Little Endian方式存储和使用4字节对齐方式[1]，并且当采用16位数据总线时，地址线ADDR0是无效的[2]。在本系统中，SL811HS芯片A0端是与ADDR1相连接的。

　　VS1011B是一款单芯片的MP3解码芯片，在国际MP3业余爱好者中影响较大，集成解码、A/D转换、音频放大等功能。VS1011B与S3C44B0X接口为SPI接口，其连接电路原理框图如图2所示。

　　VS1011B的控制与数据传输是通过SPI接口完成的，DREQ、xDCS、xCS、nRST1分别为数据请求端口、数字片选信号线、片选线、复位线。在VS1001B的新模式下，SDI（Serial Data InteRFace）数据和SCI（Serial Command Interface）数据传输可以共享ARM的一个SPI接口；而在兼容模式下，SDI数据传输要用DCLK、SDATA串行接口，SCI数据传输用SPI接口。为了简化电路，此处选用了新模式。

　　2  软件设计

　　2.1  优盘读写软件的实现

　　USB组织定义了海量存储设备类（mass storage class）的规范。这个类规范包括4个独立的子类规范：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。其中优盘属于海量存储设备，遵循bulkonly传输协议，子类采用UFI命令集。本设计软件的总体结构如图3所示。其中两条点画线之间的部分为读/写优盘的软件结构。

　　2.1.1  USB物理层协议的实现

　　该部分实现S3C44B0X对SL811HS芯片的直接底层数据的读写，包括对SL811HS的初始化及读/写一个字节的函数。限于篇幅，此处只列出对SL811HS芯片的初始化程序：

　　/*********************************

　　函数名称：SL811_Init

　　函数功能：初始化SL811HS芯片

　　输入参数：无

　　返回值：无

　　*********************************/

　　void SL811_Init（void）{

　　//初始化U盘为未插入状态

　　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;

　　//允许硬件产生SOF（Start of Frame）

　　SL811Write（CtrlReg,0x04）；

　　DelayMs（100）；

　　SL811Write（CtrlReg,0x01）；

　　//设置SOF，1 ms中断

　　SL811Write（cDATASet,0xe0）；

　　//设置为主机工作模式

　　SL811Write（cSOFcnt,0xae）；

　　SL811Write（EP0Status,0x50）；

　　//地址设为0

　　SL811Write（EP0Counter,0）；

　　//允许数据发送

　　SL811Write（EP0Control,0x01）；

　　SL811Write（IntEna,0x20）；

　　//清中断

　　SL811Write（IntStatus,INT_CLEAR）；

　　}

　　2.1.2  USB设备协议层的实现

　　该部分实现对优盘扇区的直接读写，其中两个很重要的函数为Bulkin和Bulkout。此处只列出Bulkin函数的实现：

　　/**********************************

　　函数名称：epB

　　ulkRcv

　　函数功能：实现bulkonly协议中的Bulkin函数

　　输入参数：pBuffer为数据的地址，len为数据的长度

　　返回值：TRUE为成功，FALSE为失败

　　**********************************/

　　unsigned char epBulkRcv（unsigned char *pBuffer,unsigned int len）{

　　usbstack.usbaddr=0x1;

　　usbstack.endpoint=usbstack.epbulkin;

　　usbstack.pid=PID_IN;

　　//设置包长度为64

　　usbstack.wPayload=64;

　　usbstack.wLen=len;

　　usbstack.buffer=pBuffer;

　　if（usbstack.wLen）{

　　if（！usbXfer（））

　　return FALSE;

　　}

　　return TRUE;

　　}

　　2.1.3  FAT16/FAT32文件格式的实现

　　由于现在U盘的容量普遍较大，对U盘的操作往往都是按块来进行的，其大小一般均为512B。但实际U盘上的数据是以文件系统的方式来存储的，目前U盘常用的文件系统有FAT16和FAT32。而这两种文件系统在很多内容方面都是相同的，因此，在实际访问中可以对其简单的区分，然后分别进行不同的操作，就能实现对不同文件系统的U盘进行访问，提高通用性。2.2  VS1011B的控制与音乐文件数据输入

　　本方案mp3播放器的实现原理就是控制器 从优盘读取MP3文件数据，当VS1011B的数据缓冲区需要数据时，将数据送入VS1011B进行解码。VS1011B采用串行接口，有两种接口模式：

　　Native Modes（新模式）和Compatibility；

　　Mode（兼容模式）。当地址为0x0的MODE寄存器的SM_SDINEW位为1时为新模式；反之为兼容模式。上电时默认为新模式。

　　在播放音乐之前，首先需要对VS1011B进行初始化，然后输入音乐文件即可播放歌曲。其控制步骤如下：[3]

　　①  拉低nRST1。

　　②  等待DREQ引脚信号变高。

　　③  写寄存器MODE的参数，包括正确设置SM_SDINEW和SM_SDISHARED位。

　　④  若时钟数率非24.576 MHz，应设置SCI_CLOCKF。

　　⑤  若使用倍频时钟，试图通过改变SCI_CLOCKF直接操作，应将适当的采样速率写入SCI_AUDATA寄存器，等待至少11 000个时钟后才可以操作高速的SPI通信。

　　⑥  设置音量寄存器SCI_VOL。

　　⑦  若希望加强低音，可设置寄存器SCI_BASS。

　　⑧  从优盘读取一首MP3歌曲文件，并开始传送音乐数据。应注意数据传送的规则，DREQ信号是用来表示VS1011B的MP3数据缓冲区是否需要数据。当VS1011B的数据缓冲区可再接收32字节数据时，DREQ引脚电平变高。当软件查询到此引脚电平变高时，就再送入32个字节的MP3音乐数据。

　　⑨  本首歌曲完成播放，读取下一首MP3歌曲，并转到步骤⑧。

　　结语

　　本系统很好地实现了对U盘的识别和读取，突破了传统MP3播放器中解码器与存储器一体化的限制，只需使用更大容量的U盘就可以在原有硬件基础上增加存储容量，在音响和汽车电子方面具有良好的应用前景。

  

参考文献:

[1]. STA013 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/STA013_625628.html.
[2]. S3C44B0X datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S3C44B0X_589522.html.
[3]. SL811HS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SL811HS_611618.html.