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再做个播放器

 3 years ago
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前年做过一个八音盒, 实际上是个MP3播放器, 用STM32F103搭配VS1003硬解压, 存储用的是16M的W25Q128, 链接:

张浩：摇摇八音盒 ​ zhuanlan.zhihu.com ya63u2Q.jpg!mobile

后来想想, STM32的性能足够实现MP3软解压了, VS1003完全可以不用; 16M容量也太小了, 放不下几首歌, 可以改用SDIO接口的NAND, 比如MKDV1GCL, 有128M的容量. DAC倒是可以用STM32的内置DAC, 不过既然有I2S还是利用上吧, 毕竟CS4344这么便宜. 再加个功放, 八脚的FM8002, LM4890S之类都行. 最后, 加一片加速度传感器LIS3DHTR用于实现手势控制, 齐了.

原理图如下, MCU用的是STM32F401RC, 主频84M, Cortex-M4核, 比F103的性能强一些. PS. I2S的MCLK这里又踩坑了, F4系列引入了I2SEXT, 于是MCLK被从PC14移到了旁边的PC6. 没办法, 只好飞线了.

qqyQJnm.jpg!mobile

好了, 软件才是大头. 首先是USB, SDIO, FATFS, 都是以前搞过的, 复制粘贴再微调即可. F10X的USB库实在烂到惨不忍睹, F0和F4的就顺眼多了. 至于F4的SDIO库, 基本和F10X的一样, 凑和用吧.

完成了插USB识别为U盘, 从串口命令行列出SD NAND上的文件并读取文件内容, 之后就可以进行下一步了. 用VS1003做播放器时不用考虑太多, 只要监视DREQ脚的状态, 报告没数据了给喂数据即可. 软解压则不同, 得先把整个流程先规划好.

网上找了几个例子, 都是一口气顺序执行, 打开要播放的文件, 设置DAC/I2S, 循环读取文件, 解码, 放进输出缓冲区, 然后播放等待, 播放等待; 直到缓冲区放完, 然后继续读文件, 如此重复直到文件读完. 这样播放起来简单是简单, 然而MCU卡死在这里, 串口之类完全没法响应了; 以及, 硬件操作和业务逻辑完全混在一起, 这样的代码既没法维护也没法移植.

比较好的做法是什么呢? 把硬件和逻辑分开, 让解码和播放异步运行. 我们先实现一个和具体文件类型和硬件都无关的播放逻辑. 和硬件也不能算完全无关, 当年在8位AVR上播放WAV需要实现一个FIFO, 一边往里面放数据, 一边在中断里读出数据送到PWM或R2R DAC; 现在在STM32上则用DMA写DAC或I2S就行了. STM32的DMA提供半完成和全完成两个中断标志, 所以双缓冲实现起来也简单了, 把缓冲区的前后两半当作两个缓冲区就行. 打开, 关闭文件, 读取数据到输出缓冲区, 以及启动和停止DMA的操作都作为回调函数由上层提供, 主循环里执行zplay_poll(). 具体代码如下.

#include "zplay.h"

static struct {
    zplay_cfg_t cfg;
    int irq_flag_ht, irq_flag_tc;
} g;

void zplay_init(zplay_cfg_t* cfg)
{
    g.cfg = *cfg;
}

void zplay_stop(void)
{
    g.cfg.dma_write_stop_f();
    g.cfg.close_f();
}

void zplay_poll(void)
{
    if(g.irq_flag_ht) {
        g.cfg.read_f(g.cfg.buf);
        g.irq_flag_ht = 0;
    }
    if(g.irq_flag_tc) {
        g.cfg.read_f(g.cfg.buf + g.cfg.buf_size / 2);
        g.irq_flag_tc = 0;
    }
}

void zplay_isr_ht(void)
{
    g.irq_flag_ht = 1;
}

void zplay_isr_tc(void)
{
    g.irq_flag_tc = 1;
}

void zplay_start(void)
{
    if(g.cfg.open_f() < 0)
        return;
    g.irq_flag_ht = 1;
    g.irq_flag_tc = 1;
    zplay_poll();
    g.cfg.dma_write_start_f(g.cfg.buf, g.cfg.buf_size);
}

现在先实现WAV的播放, WAV文件的基本信息都在文件头部, 所以要在open_f回调函数里读取文件头部, 根据读到的采样率来初始化I2S, 并跳过其他无关部分, 直到读到数据区起始位置为止. 在read_f回调函数里要做的就简单了, 只是简单读取数据写到输出缓冲区即可.

MP3就稍微麻烦一些了, 幸好有现成的libmad和helix两个库可以用. 先试试libmad, 按网上的说法把源码里几处malloc都改掉, 用静态数据代替. 结果这东西占内存实在是大了点, 64K RAM一下子用掉了50多K. 之后实现几个回调函数. MP3和WAV不一样, 每帧里都保存了采样率/通道数/位深度等信息, 这叫啥, 流媒体? 因此在open_f里只需要打开文件和初始化解码器, 在read_f里解码第一帧时再设置I2S. 好了, 拷几个MP3进来, 串口给命令, 果然出声了(省略调试过程若干).

不过感觉效果一般般, 能明显感觉到丢帧. 估计是哪里没优化好, 折腾半天, RAM实在是不够用了. 没办法, 只能换成据说占用资源比较少的helix库了. 再试播放, 这次效果好多了. 代码如下:

#include "platform.h"

#include "coder.h"
#include "mp3dec.h"

typedef unsigned long u32_t;
typedef unsigned short u16_t;

static struct {
    const char* fname;
    FIL f;
    FILINFO inf;
    HMP3Decoder decoder;
    MP3FrameInfo frame_info;
    int first_frame;
    int offset;
} g;

static void read_f(void* out_buf);
static void i2s_adjust(int sample_rate, int buf_size);

static int open_f(void)
{
    if(f_open(&g.f, g.fname, FA_READ) != FR_OK) {
        printf("Open file %s failed.\n", g.fname);
        return -1;
    }
    g.decoder = MP3InitDecoder();
    if(g.decoder == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory.\n");
        return -2;
    }
    g.first_frame = 1;
    return 0;
}

static void close_f(void)
{
    // close ops
    f_close(&g.f);
    MP3FreeDecoder(g.decoder);
}

static void i2s_adjust(int sample_rate, int buf_size)
{
    DMA_Cmd(DMA1_Stream4, DISABLE);
    SPI_I2S_DMACmd(SPI2, SPI_I2S_DMAReq_Tx, DISABLE);
    I2S_InitTypeDef i2s_is;
    I2S_Cmd(SPI2, DISABLE);
    i2s_is.I2S_Standard = I2S_Standard_Phillips;
    i2s_is.I2S_DataFormat = I2S_DataFormat_16bextended;
    i2s_is.I2S_MCLKOutput = I2S_MCLKOutput_Enable;
    i2s_is.I2S_AudioFreq = sample_rate;
    i2s_is.I2S_CPOL = I2S_CPOL_High;
    i2s_is.I2S_Mode = I2S_Mode_MasterTx;
    I2S_Init(SPI2, &i2s_is);
    I2S_Cmd(SPI2, ENABLE);
    SPI_I2S_DMACmd(SPI2, SPI_I2S_DMAReq_Tx, ENABLE);
    DMA_Cmd(DMA1_Stream4, ENABLE);

    zplay_cfg_t cfg;
    DataConfig_t* pdc = DC_Get();
    cfg.buf = pdc->data.out_buf;
    cfg.buf_size = buf_size;    //g.synth.pcm.length * 8;    //g.synth.pcm.length * 2 * 2;    //1152 * 2 * 2;
    memset(cfg.buf, 0, DC_OUT_BUF_SIZE);

    cfg.dma_write_start_f = I2S_Write_DMA;
    cfg.dma_write_stop_f = I2S_Write_DMA_Stop;
    cfg.open_f = open_f;
    cfg.close_f = close_f;
    cfg.read_f = read_f;
    zplay_init(&cfg);
}

static void read_f(void* out_buf)
{
    static size_t size;
    static int bytesLeft;
    static unsigned char* in_ptr;
//    static int pos = 0;

    DataConfig_t* pdc = DC_Get();

    while(1) {
        if(g.first_frame) {
            size = DC_IN_BUF_SIZE;
            in_ptr = pdc->data.in_buf;
            bytesLeft = 0;
            f_lseek(&g.f, 0);
        }
        else {
            memmove(pdc->data.in_buf, in_ptr, bytesLeft);
            in_ptr = pdc->data.in_buf + bytesLeft;
            size = DC_IN_BUF_SIZE - bytesLeft;
        }

//        int ret =
        f_read(&g.f, in_ptr, size, &size);
//        printf("%d\n", ret);

        if(f_eof(&g.f)) {
            zplay_stop();
            printf("Playback ends. #1\n");
            return;
        }

        if(size <= 0) {
            zplay_stop();
            printf("Playback ends. #2\n");
            return;
        }

        g.offset = MP3FindSyncWord(pdc->data.in_buf, DC_IN_BUF_SIZE);
        if(g.offset < 0) {
            continue;    // frame start not found, read another frame.
        }
        else {
            int ret = MP3GetNextFrameInfo(g.decoder, &g.frame_info,
                pdc->data.in_buf + g.offset);
            if(ret == ERR_MP3_INVALID_FRAMEHEADER) {
                continue;    // sync word found, but not the start of a frame
            }
            else {
                printf("$$$ %d\n", ret);
                if(g.first_frame) {

                    printf("%d %d %d\n", g.frame_info.samprate,
                        g.frame_info.outputSamps, g.frame_info.nChans);
                    int samprate = g.frame_info.samprate;
                    int outputSamps = g.frame_info.outputSamps;
                    int nchans = g.frame_info.nChans;

                    if(nchans == 1)
                        samprate /= 2;
                    i2s_adjust(samprate, outputSamps * 4);
                    g.first_frame = 0;
                }
                break;
            }
        }
    }

    // Decode a frame, assuming that sync word was already found.
    in_ptr = pdc->data.in_buf + g.offset;
    bytesLeft = DC_IN_BUF_SIZE - g.offset;
    int err = MP3Decode(g.decoder, ∈_ptr, &bytesLeft, out_buf, 0);
    if(err < 0) {
        printf("### %d %d %p \n", err, bytesLeft, in_ptr);
    }
    switch(err) {
        case ERR_MP3_INDATA_UNDERFLOW:
            zplay_stop();
            return;
        case ERR_MP3_MAINDATA_UNDERFLOW:
            //                ReadMoreMp3Data();
            break;
        case ERR_MP3_FREE_BITRATE_SYNC:
            zplay_stop();
            return;
        default:
//            zplay_stop();
            return;
    }
}

void play_mp3_init(const char* fname)
{
    DataConfig_t* pdc = DC_Get();

    g.fname = fname;
    zplay_cfg_t cfg;
    cfg.buf = pdc->data.out_buf;
    cfg.buf_size = 0;    //g.synth.pcm.length * 2 * 2;    //1152 * 2 * 2;
    cfg.dma_write_start_f = I2S_Write_DMA;
    cfg.dma_write_stop_f = I2S_Write_DMA_Stop;
    cfg.open_f = open_f;
    cfg.close_f = close_f;
    cfg.read_f = read_f;
    zplay_init(&cfg);
}

接下来考虑FLAC, 查了一下FLAC的RAM要求...至少得80多K, 算了, 还是放弃吧, 以后用192K的F407再做一次吧.

原理图和程序见github链接:


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