DIY SD卡WAV音乐播放器

继上月底STM32F4上的SDIO模块读取SD卡搞通了以后（详见：STM32 SDIO折腾记），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。

1. int main(void)
   

2. {
   

3.     int i;
   

4. 
   

5.     config_pins();
   

6.     config_clock();
   

7.     uart_setup();
   

8.     uart_wstr("\r\n-- UART enabled --");
   

9.     config_i2s();
   

10.     NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream4_IRQn);
    

    完整代码请点击阅读原文观看

11.         __WFI();
    

12.     }
    

13. }
    

14. 
    

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。

1. #include
   

2. #include "stm32f4xx.h"
   

3. 
   

4. /* simplified FAT32 read-only access library */
   

   完整代码请点击阅读原文观看
   

5. 
   

   
   

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:

1. int8_t play_file(myfile *fp)
   

2. {
   

3.     uint32_t tbuf[128];
   

4.     uint32_t *pcm_buf;
   

   完整代码请点击阅读原文观看
   

   
   

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点击阅读原文下载源程序查看。

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