[原创] 【12月DIY】SD卡WAV音乐播放器

cruelfox 2016-12-11 01:08 楼主

　　继上月底STM32F4上的SDIO模块读取SD卡搞通了https://bbs.eeworld.com.cn/thread-507474-1-1.html 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("\r\n-- UART enabled --");
config_i2s();
NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream4_IRQn);
if(sdio_init())
{
sdio_setmode(); // set 4-bit mode
uart_wstr("\r\nSet 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("\r\nPlay "");
uart_wstr(playlist_mem[i*3+2]);
uart_wstr(""");
r=play_file(&file);
}
}
else
uart_wstr("\r\nCannot 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 <string.h>
#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。 本帖最后由 cruelfox 于 2016-12-11 10:12 编辑

player_code.zip (2016-12-10 23:13 上传)