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基于 ARM 的无损音乐播放器设计

答辩人 ：林伟山 专业 ：计算机控制技术 指导老师 ：高智勇

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关于无损音频

　　相对自然界的信号，音频编码最多只能做到无限　　相对自然界的信号，音频编码最多只能做到无限接近，至少目前的技术只能这样了，相对自然界的信接近，至少目前的技术只能这样了，相对自然界的信号，任何数字音频编码方案都是有损的，因为无法完号，任何数字音频编码方案都是有损的，因为无法完全还原。在计算机应用中，能够达到最高保真水平的全还原。在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是就是 PCMPCM 编码，编码， PCMPCM 通过抽样、量化、编码三个通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。因此被步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。因此被广泛用于素材保存及音乐欣赏，广泛用于素材保存及音乐欣赏， CDCD 、、 DVDDVD 以及我以及我们常见的们常见的 WAVWAV 文件中均有应用。文件中均有应用。 通常我们使用三个参数来表示声音，即量化位数、通常我们使用三个参数来表示声音，即量化位数、取样频率和声道数。声道有单声道和立体声之分，一取样频率和声道数。声道有单声道和立体声之分，一般地，无损音频的取样频率为般地，无损音频的取样频率为 44100Hz 44100Hz ，其文件，其文件大小的计算方式为：大小的计算方式为：所占容量 所占容量 = (= ( 取样频率 取样频率 * * 量化位数 量化位数 ** 声道声道 ) * ) * 时间 时间 / 8 (/ 8 ( 字节 字节 = 8bit)= 8bit)

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概述

自从随身听诞生以来，音质便成了永恒的主题。自从随身听诞生以来，音质便成了永恒的主题。容量的演变，格式的革新，解码的改进，组成了牢固容量的演变，格式的革新，解码的改进，组成了牢固的三角，支撑着随身听的向前发展。以我们最熟悉的的三角，支撑着随身听的向前发展。以我们最熟悉的MP3MP3 格式举例，它本身是一种有损耗的音乐压缩格格式举例，它本身是一种有损耗的音乐压缩格式，由于其先天性的不足，音质想要媲美式，由于其先天性的不足，音质想要媲美 CDCD 显然是显然是不可能的。因此不少音乐发烧友仍然使用着老式不可能的。因此不少音乐发烧友仍然使用着老式 CDCD随身听。随身听。 本系统设计无损音乐播放器可以实现对波形文件本系统设计无损音乐播放器可以实现对波形文件的高保真播放，从而给人以最真实的声感。现在有很的高保真播放，从而给人以最真实的声感。现在有很多大容量的多大容量的 MP4MP4 、、 MP5MP5 、手机等都已经开始支持、手机等都已经开始支持无损了，但还是无法达到真正的无损播放，并且声感无损了，但还是无法达到真正的无损播放，并且声感也不是很好，而一些专门的无损音乐播放器市场价格也不是很好，而一些专门的无损音乐播放器市场价格也是很昂贵。也是很昂贵。 所以本系统设计就是要实现在尽可能的降低开发所以本系统设计就是要实现在尽可能的降低开发成本的同时实现无损音乐的高保真音质播放。 成本的同时实现无损音乐的高保真音质播放。

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自从随身听诞生以来，音质便成了永恒的主题。容量的演变，格式的革新，解码的改进，组成了牢固的三角，支撑着无损音乐随身听的向前发展。

在尽可能的降低开发成本的同时实现无损音乐的高保真音质播放。

1. 无损音乐的解码播放 2. 个性化的人机交互界面

高速处理波形文件的数据，并高效地将音乐播放出来，给人以最真实的声感。

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研究过程

提出问题 提出问题 —— —— 市场需求、可行性分析市场需求、可行性分析

分析问题 分析问题 —— —— 论证调查、系统分析论证调查、系统分析

解决问题 解决问题 ———— 系统设计、调试运行系统设计、调试运行

研究方法 研究方法 —— —— 资料分析、实践验证资料分析、实践验证

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研究框架

项目分析

11 、系统要求、系统要求22 、可行性、可行性

方案论证

11 、微处理器、微处理器22 、解码芯片、解码芯片

调试完成

欣赏欣赏

系统设计

11 、电路、电路22 、软件、软件

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系统简要描述

本系统是一个无损音乐播放设备，它通过对无损音乐波形文件的高保真解码给用户最真实的音乐感。该系统占用空间小，可随身携带。

音频文件读取音频文件读取 音频数据流发送音频数据流发送

功能操作功能操作

解码芯片解码解码芯片解码

数数字字//

模模拟拟信信号号输输出出

音音量量大大小小

歌歌曲曲切切换换

暂暂停停播播放放

文文件件选选择择

系统功能图

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主要内容

MDKMDK

J-LinkJ-Link

微处理器：微处理器： STM32STM32

解码芯片：解码芯片：VS1053VS1053

主控电路主控电路

触屏电路触屏电路

存储卡读取电路存储卡读取电路

解码电路解码电路

FreeRTOSFreeRTOS

演示与欣赏演示与欣赏

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微处理器

STM32STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3ARM Cortex-M3内内核。按性能分成两个不同的系列：核。按性能分成两个不同的系列： STM32F103STM32F103““增强型”系列和增强型”系列和 STM32F101“STM32F101“基本型”系列。基本型”系列。增强型系列时钟频率达到增强型系列时钟频率达到 72MHz72MHz ，是同类产品中性，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为能最高的产品；基本型时钟频率为 36MHz36MHz ，以，以 1616位产品的价格得到比位产品的价格得到比 1616 位产品大幅提升的性能，是位产品大幅提升的性能，是1616 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K32K 到到128K128K 的闪存，不同的是的闪存，不同的是 SRAMSRAM 的最大容量和外设的最大容量和外设接口的组合。时钟频率接口的组合。时钟频率 72MHz72MHz 时，从闪存执行代码，时，从闪存执行代码，STM32STM32功耗功耗 36mA36mA ，是，是 3232 位市场上功耗最低的位市场上功耗最低的产品，相当于产品，相当于 0.5mA/MHz0.5mA/MHz 。。

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解码芯片

VS1053 VS1053 是由芬兰 是由芬兰 VLSI VLSI 公司出品的一款公司出品的一款单芯片的 单芯片的 MP3/WMA/MIDI MP3/WMA/MIDI 音频解码和 音频解码和 ADPCM ADPCM 编码芯片，其拥有一个高 性能低功耗的 编码芯片，其拥有一个高 性能低功耗的 DSP DSP 处理器核处理器核 VS_DSPVS_DSP ，， 5K 5K 的指令 的指令 RAMRAM ，，0.5K 0.5K 的数据 的数据 RAMRAM ，串行的控制和数据输入接，串行的控制和数据输入接口，口， 4 4 个通 用 个通 用 IO IO 口，一个 口，一个 UART UART 口；同时口；同时片内带有一个可变采样率的 片内带有一个可变采样率的 ADCADC 、一个立体声 、一个立体声 DAC DAC 以及音频耳机放大器。以及音频耳机放大器。

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软件设计

为提高控制系统的可靠性、可维护为提高控制系统的可靠性、可维护性和编程的效率性，控制系统的软件采性和编程的效率性，控制系统的软件采用模块化结构，基于用模块化结构，基于 FreeRTOSFreeRTOS 操作操作系统，用系统，用 CC 语言编写，简洁、明了。语言编写，简洁、明了。在硬件的基础上，无损音乐播放器的所在硬件的基础上，无损音乐播放器的所有功能都是由触摸屏实行的，通过软件有功能都是由触摸屏实行的，通过软件编程可以控制音量大小、上下切换歌曲、编程可以控制音量大小、上下切换歌曲、暂停和停止等等。暂停和停止等等。

NN

YY

NN

Y Y 通过通过 SPISPI

发送至发送至 VS1053VS1053

读取读取 SDSD内内容容

解码完毕解码完毕

目标内容目标内容

开始开始

触屏操作触屏操作

初始化各外设，创建系统任务初始化各外设，创建系统任务

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总结

本无损音乐播放器系统是按照软硬件工程学的方本无损音乐播放器系统是按照软硬件工程学的方法来进行设计和开发的，用来对无损音乐文件的高保法来进行设计和开发的，用来对无损音乐文件的高保真解码播放。系统分为控制、读取、解码三大功能模真解码播放。系统分为控制、读取、解码三大功能模块，各个功能模块层次清晰，硬件上占用空间小，性块，各个功能模块层次清晰，硬件上占用空间小，性价比高，用户可以很方便的使用本系统。价比高，用户可以很方便的使用本系统。

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展示 2

本无损音乐播放器系统是按照软硬件工程学的方本无损音乐播放器系统是按照软硬件工程学的方法来进行设计和开发的，用来对无损音乐文件的高保法来进行设计和开发的，用来对无损音乐文件的高保真解码播放。系统分为控制、读取、解码三大功能模真解码播放。系统分为控制、读取、解码三大功能模块，各个功能模块层次清晰，硬件上占用空间小，性块，各个功能模块层次清晰，硬件上占用空间小，性价比高，用户可以很方便的使用本系统。价比高，用户可以很方便的使用本系统。

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展示 3

本无损音乐播放器系统是按照软硬件工程学的方本无损音乐播放器系统是按照软硬件工程学的方法来进行设计和开发的，用来对无损音乐文件的高保法来进行设计和开发的，用来对无损音乐文件的高保真解码播放。系统分为控制、读取、解码三大功能模真解码播放。系统分为控制、读取、解码三大功能模块，各个功能模块层次清晰，硬件上占用空间小，性块，各个功能模块层次清晰，硬件上占用空间小，性价比高，用户可以很方便的使用本系统。价比高，用户可以很方便的使用本系统。

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欣赏

感谢观赏 温州职业技术学院（计控 0801 林伟山）

2011 年 3 月 13 日