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SD卡WAV音乐播放器DIY

分类名:DIY日期:2016-12-11作者:cruelfox
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  继上月底STM32F4上的SDIO模块读取SD卡搞通了以后,终于实现了一个简单的FAT32文件系统,然后读取卡上的WAV文件,从I2S输出信号给我的CS4398 DAC来播放音乐。尽管还简陋了不少,终于我自己的第一个硬件音乐播放器(摆脱电脑)诞生了。精力有限,能简化的先简化了,所以目前它的局限有:

(1) 只支持44.1kHz/16-bit 的CD格式WAV音频文件(无压缩格式)播放
(2) 只支持格式化为FAT32文件系统的SD、SDHC卡
(3) 不能在一个文件中进行快进、倒带索引,只能从每个文件开始连续播放。只有播放/暂停、下一首、上一首、停止的按钮控制。
(4)没有屏幕显示,调试信息只通过UART输出,文件名字符不能输出汉字等。
(5)只检索根目录下的.wav文件,上限255个;不检索子目录。

  先上线路图:这是我的STM32F411开发板

  MCU外围不多,除了必要的电源部分,就是SD卡座、USB座、各种接口的插针,以及少数按钮和LED了。
布线还是我自己的风格,Gerber文件附在后面,可以用ViewMate、CAM350等软件来看。

  这个开发板就是按照做音乐播放器来设计的,当然DIY玩的不是做产品,就没考虑外观、用户界面那些了。MCU选了STM32F411RET6 的原因有:(1)M4F内核,又有128kB SRAM,做软解MP3、FLAC资源充足。(2)便宜,F407价格相似计算能力更强但是封装尺寸大一档。(3)SDIO, USB OTG FS都有。(4) I2S支持外部clock输入,也就是I2S做master但是和DAC的MCLK是绝对同步的。

  目前的主程序框架是很直接的,在必要的初始化之后就访问SD卡,读取根目录检索WAV文件。找到的可播放文件的信息建立一个playlist,然后就在 idle_process() 和 play_file() 两个函数之间切换,对应停止和播放两个状态。

int main(void)
{
    int i;

    config_pins();
    config_clock();
    uart_setup();
    uart_wstr("rn-- UART enabled --");
    config_i2s();
    NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream4_IRQn);

    if(sdio_init())
    {
        sdio_setmode(); // set 4-bit mode
        uart_wstr("rnSet 4-bit mode");

        if(fat32_init(0))
        {
            uint8_t n, i;
            int8_t r;
            myfile file;

            n=create_playlist();
            show_playlist(n);

            for(;;)
            {
                i=idle_process(r,n);
                open_file0(&file,playlist_mem[i*3],playlist_mem[i*3+1]);
                uart_wstr("rnPlay "");
                uart_wstr(playlist_mem[i*3+2]);
                uart_wstr(""");
                r=play_file(&file);
            }
        }
        else
            uart_wstr("rnCannot recognize file system");
    }

    for(;;)
    {
        __WFI();
    }
}

   uart_wstr() 以及类似的 uart_whex()等函数是我用来调试的,也在没有LCD显示的时候用来当作UI的一部分了。

  FAT32文件系统,我考虑过用fatfs, 但又觉得稍嫌复杂,于是自己写了一个简化的FAT32支持函数库,只读的,不支持文件seek,呵呵,每次读文件只能读512字节。

#include
#include "stm32f4xx.h"

/* simplified FAT32 read-only access library */
#include "fat32.h"

extern void device_read_blk(uint32_t blk, void *buf);


static unsigned char SPC_SHIFT;
static unsigned int DATA_OFFSET;
static unsigned int FAT1_OFFSET;
static unsigned int ROOTDIR_POS;

char fat32_init(uint32_t bootblk)
{
    struct BOOTSEC32 boot;
    uint8_t tmp;

    device_read_blk(bootblk, &boot);

    if(boot.tail[420]!=0x55 || boot.tail[421]!=0xaa)
        return 0;
    if(strncmp(boot.filesysid, "FAT32   ",8)!=0)
        return 0;
    if(boot.BytesPerSec!=512)
        return 0;
    if(boot.NumFATs!=2)
        return 0;

    ROOTDIR_POS=boot.RootLocation;
    tmp=boot.SecPerCluster;
    SPC_SHIFT=0;
    while(tmp>1)
    {
        tmp>>=1;
        SPC_SHIFT++;
    }
    FAT1_OFFSET=bootblk+boot.ReservedSectors;
    DATA_OFFSET=FAT1_OFFSET+2*boot.SecPerFAT-2*boot.SecPerCluster;  // cluster space starts from 2

    return 1;
}

static uint32_t chain_next_cluster(uint32_t cluster)
{
    static uint32_t fat[128];
    static uint32_t cache_fat;
    uint32_t fat_blk = FAT1_OFFSET+cluster/128;
    uint8_t offset=cluster%128;

    if(fat_blk != cache_fat)
    {
        device_read_blk(fat_blk, fat);
        cache_fat=fat_blk;
    }
    return fat[offset];
}

static uint32_t chain_next_blk(uint32_t blk)
{
    uint32_t blk_rel=blk-DATA_OFFSET;
    uint8_t mask=(1<<SPC_SHIFT)-1;
    uint32_t next_cluster;
    if((blk_rel & mask)!=mask)
        return blk+1;
    next_cluster=chain_next_cluster(blk_rel>>SPC_SHIFT);
    if((next_cluster & 0x0fffffff)!=0x0fffffff)
        return DATA_OFFSET+(next_cluster<<SPC_SHIFT);
    else    // End of file
        return 0xffffffff;
}

char read_file_blk(myfile *f, void *buf)
{
    if(f->blk==0xffffffff)  // End of file
        return 0;
    device_read_blk(f->blk, buf);
    f->blk=chain_next_blk(f->blk);
    f->pos+=512;
    if(f->pos>=f->length)
        f->pos=f->length-1;
    return 1;
}

void open_file0(myfile *f, uint32_t cluster, uint32_t len)  // open by cluster num
{
    f->blk = DATA_OFFSET+(cluster<<SPC_SHIFT);
    f->pos = 0;
    f->length = len;
    f->cls_ini = cluster;
}

uint32_t get_rootdir(void)
{
    return ROOTDIR_POS;
}

  FAT32读取还算简单,因为文件是一个链表存放,顺藤摸瓜就可以了。链表每一节点是一个簇(Cluster),对应若干个扇区(磁盘的概念,也就是512字节单位的存储块). 从目录索引里面获得文件的起始簇号以后,一方面换算成扇区号去访问数据,另一方面到FAT表(文件分配表)去查下一个簇的编号。打开文件是以起始簇号为参数,而不是文件名,匹配文件名的过程交给主程序部分去负责了。

  只考虑播放WAV文件就简单了很多,跳过开头的44字节WAV文件头(我偷懒了都没判断一下是不是44.1k/16-bit立体声格式),后面就是PCM数据了,可以直接送给I2S模块输出。STM32的I2S硬件是和SPI复用的,在I2S模式下每次写数据寄存器只能是16-bit,也就是对应左或右声道一个PCM数据(因为CD格式也是16-bit),MCU可以在I2S数据发送成功后给一个中断,然后再写16-bit的数据,那么每秒要写88200次,这么做效率太低了,而且万一中断处理不及时就会造成破音。


  所以必须要用DMA来传输,DMA将要播放的PCM数据从SRAM当中搬运到I2S模块,这个过程不需要CPU参与。CPU可以在这个时候去干访问文件啊解码等等的活,也可以什么都不干进入SLEEP模式。因为I2S的数据是连续的,即使没有播放音乐,也需要让它不断发送"0",故将DMA配置为循环模式,从RAM中取数时,自动重置指针。DMA在内存缓冲区读完和读到一半的时候,可以给CPU一个中断请求,此时更新数据就可以了。


  我在RAM中开了2kB的空间作为PCM数据DMA缓冲

#define HALF_COUNT 256
uint32_t i2s_play_buf[2*HALF_COUNT];
volatile char low_half_fill;

low_half_fill 这个变量是由中断服务程序设置的,表示该写缓冲区的哪一半。负责填缓冲区的是 play_file() 这个函数:

int8_t play_file(myfile *fp)
{
    uint32_t tbuf[128];
    uint32_t *pcm_buf;
    uint32_t lastpos=0;
    int i, remain;
    char fin;
    char paused=0;
    if(!read_file_blk(fp, tbuf))
        return;
    remain=128-11; // skip 44-byte WAV header
    fin=0;

    for(;;)
    {
        char button;
        LED_off();
        __WFI();    // wait DMA
        button=get_button();
        if(button)
        {
            if(button & BUTTON_PLAY)
            {
                paused=!paused;
                if(paused)
                    silence_buffer();
            }
            else
            {
                silence_buffer();
                if(button & BUTTON_NEXT)
                    return 1;
                if(button & BUTTON_PREV)
                    return -1;
                return 0;
            }
        }
        if(paused)
            continue;

        LED_on();
        if(low_half_fill)
            pcm_buf=i2s_play_buf;
        else
            pcm_buf=i2s_play_buf+HALF_COUNT;

        for(i=0;i<remain;i++)   // remaining data
            pcm_buf[i]=tbuf[i+(128-remain)];
        for(;;)
        {
            int k;
            if(!read_file_blk(fp, tbuf)) // end cluster
            {
                for(;i<HALF_COUNT;i++)
                    pcm_buf[i]=0;
                LED_off();
                __WFI();    // play rest
                silence_buffer();
                return 1;
            }
            k=0;
            for(;i<HALF_COUNT && k<128;i++)
            {
                pcm_buf[i]=tbuf[k];
                k++;
            }
            if(i==HALF_COUNT)
            {
                remain=128-k;
                break;
            }
        }
        if(fp->pos-lastpos>176400)
        {
            uart_wstr(".");
            lastpos+=176400;
        }
    }
}

  读取文件的操作也在这个函数中进行。读SD卡会有I/O的延迟,但因为有缓冲,只要保证平均读取速度超过回放的速度就不会产生间断。读文件和DMA的同步依靠中断来实现:主程序完成一次缓冲区数据准备之后就用WFI指令进行休眠,当DMA取数据达到阈值时CPU唤醒——又有数据空缺可以干活了,然后主程序读SD卡取数据。此外,如果有按钮动作,或者文件读到尾部了,就把缓冲区清零然后返回。

  处理目录表的部分在 create_playlist() 这个函数当中。读文件和读目录使用的是同样的函数,顺序读取。每当找到一个WAV文件时,就把起始簇号、文件长度和文件名记录到一块内存 playlist_mem 中,后面播放时就不再访问根目录了。想了解实现细节的网友请下载源程序查看。


  • Gerber.zip


    57.24 KB, 阅读权限: 5, 下载次数: 19


    PCB Gerber文件


关键字:SD卡 WAV 音乐播放器
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