可能是电路最简单的MP3播放器
最近正在基于STM32F411+WM8978开发一个MP3播放器，支持WAV、FLAC和MP3格式，因此积累了好多音频方面的代码。于是，我脑中浮现了在制作一个播放器的念头，这个播放器最好能做到最简化，让所有拥有最小系统的人都可以体验到音乐的乐趣。
STM32F411的时钟频率有100MHz，那么能流畅播放MP3的最低频率能到多少呢？经过实测，30M！没想到流畅解码FLAC和MP3格式的音频居然这么轻松，突然觉得用F4做这个MP3有点浪费……于是脑洞大开，能不能用F1完成这个播放器呢？
网易云音乐下载得到的FLAC文件都是LV8的，解码需要90k左右的内存，F1自然是全系列都不能满足，但是LV2需要的内存和MP3差不多，需要30k多的内存，这样大部分大容量的F103就能满足了。由于懒得每首歌都转换，就没有移植FLAC的解码，其实是很好实现的，并且解码FLAC所需要的性能是比MP3小的。
由于使用F4芯片里面有独立的音频PLL和全功能的IIS，F1里面的IIS是残废的（除非使用外置时钟，否则时钟误差极大），因此就排除了用外置DAC的想法。突然，我想到大容量的芯片里面有内置的DAC！那么我们能不能就用这个DAC就输出音频呢！
首先查看选型表，我们常见的STM32F103RCT6就能满足我们的需求：STM32F103RC大容量系列，有48k的内存（据说是和ZET6一样的晶元，说不定能用上64K，但是这里48K已经足够），还有双路DAC，正好两个声道，用它做播放器，完全可以满足我们的要求。
等等…这个DAC是12位的。我们常见的音频文件都是16位的，这个DAC并不能接受我们常见的音频文件，需要进行一个转换，这也成了浪费我时间最多的步骤。有人可能会问，12位音质会不会很差啊？我可以负责的告诉你，音质绝对说的过去，至少木耳是听不出来和手机明显的差别的。
说完了DAC的位数，好多人可能还会怀疑这个内置DAC的性能问题。经过手册查询，这个DAC输出值从最低到最高需要4us，也就是250KHz，对于音频完全没问题，而且音频也不会出现幅度这么大的数据。并且带一个可配置的输出缓冲器，可以省掉外部的运放，直接驱动一定的负载，真的离极简设计越来越近了。
说干就干。首先将以前移植好的SD卡驱动简单移植，实现了文件的读取以后，就开始移植WAV播放程序。先移植它是因为WAV不需要解码，直接读文件送进去就好。这里需要提一下我程序框架的问题。由于以前已经有成熟的MP3，因此程序都是有一套框架的。基本的就是设置IIS等参数，然后读文件，等待当前缓冲区播放完再继续读取然后解码。因此我的程序中出现一些IIS字眼不要担心……只是直接移植，懒得改了。
音频播放是定时器+DAC+DMA，这个例程ST官方就有提供，我只是简单移植就让DAC双通道输出了正弦波。
定时器部分就是产生一个和音频文件采样率相同的时钟给DAC，让DAC按照这个速度去找DMA取数据，DMA有两个缓冲区，播放一个缓冲区的时候读取和解码另一个缓冲区，这样纯硬件的播放可以保证恒定并且正确的播放速度，并且不需要使用CPU进行数据的搬运。当一个缓冲区播放完以后，产生中断，切换缓冲区，继续读取。下面是DMA和定时器的初始化代码。
uint8_t AudioPlay_I2SConfig(uint8_t Bits,uint32_t SampleRate,uint16_t BufSize)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_DeInit(TIM2);
TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 72000000/SampleRate;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
DMA_DeInit(DMA2_Channel4);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(DAC->DHR12RD);
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&DualSine12bit;
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = BufSize;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Word;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Word;
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA2_Channel4, &DMA_InitStructure);
DMA_Cmd(DMA2_Channel4, ENABLE);
DMA_ITConfig(DMA2_Channel4,DMA_IT_TC|DMA_IT_HT,ENABLE);
return 0;
}
接下来就是把缓冲区改成文件了。一到这儿我傻眼了，STM32F4的DMA有双缓冲模式但是F1没有。正在我一筹莫展的时候，我发现F1的DMA有一个半传输中断，这玩意儿不就和双缓冲一样的东西嘛。只需要取两倍的缓冲区大小，然后使能半传输和传输完成中断，就能实现类似双缓冲的无缝播放的效果。
void DMA2_Channel4_5_IRQHandler(void)
{
if(DMA_GetITStatus(DMA2_IT_TC4))
DataRequestFlag = 1;
else if(DMA_GetITStatus(DMA2_IT_HT4))
DataRequestFlag = 2;
DMA_ClearITPendingBit(DMA2_IT_TC4 | DMA2_IT_HT4);
}
void* AudioPlay_GetCurrentBuff(void)
{
if(DataRequestFlag == 1)
{
return (void*)((uint32_t)DualSine12bit + AudioPlayInfo.BufferSize);
}
else if(DataRequestFlag == 2)
{
return DualSine12bit;
}
else
{
return NULL;
}
}
注意这里的DataRequestFlag一定要加__IO也就是volatile修饰，要不会被优化掉，卡死在while里。 这里的DualSine12Bit就是缓冲区了，根据中断类型返回是缓冲区起始地址还是加上一个缓冲区（也就是后一半）的地址。 有了数据，声音是出来的。但是杂音非常非常大，只能听到一点点音乐。我想起来我是直接把立体声16位的数据送给DAC的双通道左对齐寄存器DAC->DHR12LD，我原以为这样就能一次传输两个通道的数据并且舍弃掉低4位，但是我错了。查阅资料发现，IIS的16位数据是signed short，也就是有符号位的，并且负数是用补码保存的，然而我们这里的DAC应该工作在中值为2048（一半参考电压，加耦合电容），因此音频数据我们需要稍微处理一下，如下面程序所示，除以16再加2048转换成无符号数。
void AudioPlay_DataProc(uint16_t* buff,uint16_t num)
{
uint16_t i;
for(i = 0;i < num;i ++)
{
buff[i] = (((int16_t*)buff)[i] / 16 + 2048);
}
}
经过这样处理，音频已经能很好地播放了，并且音质严重超出了我的预期，真的是很不错，并且DAC的驱动力真的很大，我的耳机串了一个1k的电阻，音量才到人耳舒适的范围，加上两个10uF的耦合电容，要是不算最小系统和SD卡模块总共只需要四个元件。由于电阻很大，因此电容很小也能获得很低的响应频率。
为了换歌曲方便，我加了两个按键，分别是上一曲和下一曲，还加了一个10K的双联音频电位器调整音量，自此一个WAV播放器就搞定了。
硬件连接如上图所示,整个硬件主要由一个最小系统、一个SD卡模块以及一块自己焊接的小板子组成，小板子上总共有两个电阻、两个电容、一个电位器、两个按键和一个耳机座。连接单片机的端口可以在程序里修改，SD卡使用SPI2，CS=PB12，CLK=PB13，MISO=PB14，MOSI=PB15。 整个播放器只用了8个IO口！要是只用一个下一曲还可以再省一个，最小系统周围一圈IO口显得空空荡荡的。
接下来的MP3解码也就轻而易举了。移植了Helix库，声音也很轻松的出来了。
最后，我还将MP3解码器移植了一份直接从ROM读取数据的版本，这样就可以方便的做开机语音和语音提示之类的了。程序只占用了40k，ROM还剩下了200K左右，放44.1KHz，16Bit，64KBps的单声道音频可以放半分钟多，足够了。有兴趣的可以用J-Link烧一个不带任何ID3信息的MP3文件到0x08020000也就是128k的地方感受一下开机语音。