简介

大体来说，MP3解码播放可以分为3步：读取MP3文件、解码为PCM采样 和 发送至DAC播放。三者通常为异步进行，第三步为DMA完成为此软件可以不需要额外的线程进行控制，但是一二步如果能够分入两个独立的线程将会提高整体的效率。为此这里使用了FreeRTOS系统，分为不同的线程来进行。

读取

项目使用了经典的FATFS来实现文件系统，从SD卡读取文件。由于需要管理文件系统、需要进行多次传输的原因，SD卡读取并不像音频输出一样可以直接使用固定间隔固定周期的DMA进行传输，为此才需要使用多线程来实现和解码的交错。

这部分的代码非常简单，分配一个长度为1的队列用来跨线程通信，读取线程只需要不断往队列里写入数据就行。

简化后的代码大致如下：

    while (ctx->offset < ctx->file_size) {
        os_fs_read(ctx->file, buf, QUEUE_OBJECT);
        xQueueSendToBack(ctx->input_queue, buf, portMAX_DELAY);
        ctx->offset = os_fs_tell(ctx->file);
    }

解码

播放

整体设计

作为一个需要能放在口袋里的电池供电设备，外壳是必不可少的一部分。好在现在已经有了成熟的个人/爱好者使用的3D打印技术，所以要打印出可用的外壳还是比较可行的。所有的外壳都只考虑用于3D打印的情况。软件使用Fusion 360，可以免费用于个人用途。

最开始的设计是在屏幕的一侧加上按键用于控制：

但是最终决定将按键移至顶部，减小整体的体积，同时正面也更加干净：

前后壳设计

前后壳的设计没有什么太多特殊的地方，需要注意的只是后壳需要为IO预留好位置。这点的话，最方便的方法就是从KiCAD导出一份PCB的模型，这样在外壳上就可以直接开好对应的口就可以了。

按键设计

按键是个整体上设计较为失败的地方，主要问题在于按键过于小以至于不是很方便按下。按键使用常见的微动开关+塑料按键的设计，塑料按键使用3D打印。为了方便平台附着，这里的模型做了加大处理，在打印之后裁切掉即可。

为了能够保留按键上的细节，使用了SLA打印。

可以看见3D打印很好的保留了按键表面的文字。这种设计之后可能会对清理造成困难，其实最好还是没有刻字的按钮。

整体组装

组装可以先在Fusion360中模拟进行：

确认没有问题后就可以打印出来进行实际的组装。实际组装过程中出现了一些问题，主要是一些3D打印的结构脱落了。这里只能用元件脚简单补了一下。组装完成的效果，只能说能看吧。

硬件选型

处理器

处理器的选择方面，主要需要满足以下需求：

• 尽可能低的功耗
• 支持I2S、SDIO、USB 2.0 HS
• 硬件单精度浮点
• 尽可能少的外部元件

为了达到尽可能低的功耗，应该使用尽可能先进的工艺和低功耗的内核。用于单片机的eNVM工艺中最先进的就是22nm的MRAM工艺和40nm的eFlash工艺。面向大众市场的40nm eF单片机在当时（2019年）只有2种选择：STM32L5系列 和 LPC5500系列。两者均使用了Cortex-M33F内核，为此也就满足了单精度浮点的要求。两者都有较大容量的RAM和ROM。然而LPC5500有内置的高速USB PHY，而L5系列只支持全速USB。为此选择了5500系列。2019年量产的型号只有高端的双核55S69，2020年有了无加密功能的单核5528后则改用了5528。

电源管理

整理一下电源管理这里的需求：

• 需要能够支持单节锂离子电池
• 需要能够支持从USB接口充电
• 需要能够准确计量电池剩余电量
• 能够支持软开机/关机
• 尽可能高的效率
• 为DAC提供干净的电源（1.8V）
• 为处理器提供电源（3.3V）
• 开放的数据手册，容易购买

需要找到一片芯片同时满足所有这些条件并不现实，为此最终使用了集成式PMIC + 库伦计 + 独立LDO的组合。集成式PMIC使用了LTC3554，支持电池充电+电源通路管理，集成了两个高效率的Buck DCDC转换器，可以提供需要的3.3V和1.8V电源。库伦计使用了LTC2942-1，2942可以进行独立的持续电池容量计量，并且可以通过I2C读取数据。最终多个独立的LDO用于给DAC提供干净的数字和模拟电源。

音频输出

音频输出这部分其实没有太多的选择，如果需要高集成度（集成LPF和耳放）的高音质（<-100dB THD+N）DAC，可以选择的系列大致有CS4313x和AK4331/4377系列。后者只提供了CSP封装，对PCB工艺有较高需求。为此选择了有QFN封装的CS4313x系列。

屏幕

因为屏幕需要低功耗，但是同时我希望设备能够持续显示信息，所以可选的选项只有反射式的LCD或者Eink。虽然我更希望能使用高分辨率的反射式LCD，但是最后还是选择了更容易购买到的2.13“ Eink屏幕。

结构框图

根据上面的硬件选型，整体的硬件原理框图如下：

原理图设计

原理图上其实没有太多可以说的地方，都是比较常规的，按照厂家的参考设计来做就可以。稍微值得一提的是DAC部分的过于夸张的设计：

DAC的所有电源轨都有独立的LDO来提供电源，同时加了额外的电平转换芯片来转换单片机和DAC之间的IO电平。DAC有自己的晶振，同时DAC工作于I2S主模式，即DAC提供I2S的MCLK、BCLK和FS，这样可以避免电平转换芯片或者是单片机可能造成的额外jitter。

PCB设计

PCB采用了四层板设计，所有元件使用的都是比较方便人工焊接的。整体尺寸设计上尽可能接近Eink屏幕的尺寸，为此元件密度比较高。以下是最终焊接完成的r0.3 PCB：

完整的KiCAD源文件可以在GitHub上获得：https://github.com/zephray/Bric

简介

Bric是一个自制的便携音乐播放器。我计划写一系列的博文来介绍这个项目，关于这个项目的历史，软硬件设计，性能测试，等等。希望对希望设计类似系统或者希望自制类似设备的玩家有所帮助。以下是主要的技术参数：

• MCU: NXP LPC5528 (512KB Flash, 256KB RAM, 150MHz Cortex-M33)
• 屏幕: GDEH0213B72 2.13" 250x122 EPD
• DAC: Cirrus Logic CS43131
• 电源管理: LTC2942-1 + LTC3554
• 存储: MicroSD

历史 & 项目计划

我从10年前最开始接触单片机以来，就一直想要设计制作一个音频播放器。一方面我觉得这样的东西设计起来应该足够简单，处于我的能力范围之内，另外一方面我自己也非常喜欢听歌，所以如果能用自己设计制作的设备听歌那可太好了。期间做过许多实验性的设计：基于CortexM的，基于ARM9的，全集成Codec的，独立LPF+AMP的，也玩过经典的VS1003方案解码芯片，但是总之一直以来并没有做出什么完整的作品，也就一直没有具体记录过。

2019年初的时候，我决定再试试自制这个东西。一大原因是出现了CS4313x这类的高性能的高集成度DAC。最开始的项目名称叫做RhythmPocket，使用NXP的i.MX7S处理器（28nm单核心Cortex-A7）。外壳直接使用GameBoy Pocket的外壳。当时的想法是可以直接连接上WiFi下载歌曲。

Some notes during my own RT board bring up process.

QSPI XIP

QSPI XIP is the recommended way to run the code. Critical sections could be loaded to ITCM if needed. Will compare the performance difference later.

NXP AN12183 gives a good overview about the XIP boot flow, and provided several configurations for other Flash devices. However, the provided configurations were wrong. When using these configurations, the processor would stuck in the Boot ROM area (0x20000) after the image is loaded. The best approach is still to read the datasheet for the specific device used (including all suffix in the model number). Here is my configuration for W25Q32JV:

// Configuration for W25Q32
const flexspi_nor_config_t qspiflash_config = {
    .memConfig =
        {
            .tag                = FLEXSPI_CFG_BLK_TAG,
            .version            = FLEXSPI_CFG_BLK_VERSION,
            .readSampleClkSrc   = kFlexSPIReadSampleClk_LoopbackFromSckPad,
            .csHoldTime         = 3u,
            .csSetupTime        = 3u,
            .columnAddressWidth = 0u,
            .configCmdEnable    = 0u,
            .controllerMiscOption = 0u,
            .deviceType = kFlexSpiDeviceType_SerialNOR,
            .sflashPadType = kSerialFlash_4Pads,
            .serialClkFreq = kFlexSpiSerialClk_30MHz,
            .lutCustomSeqEnable = 0u,
            .sflashA1Size  = 4u * 1024u * 1024u,
            .lookupTable =
                {
                    // Read LUTs
                    FLEXSPI_LUT_SEQ(CMD_SDR, FLEXSPI_1PAD, 0xEB, RADDR_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x18),
                    FLEXSPI_LUT_SEQ(MODE8_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0xFF, DUMMY_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04),
                    FLEXSPI_LUT_SEQ(READ_SDR, FLEXSPI_4PAD, 0x04, STOP, 0, 0),
                },
        },
    .pageSize           = 256u,
    .sectorSize         = 4u * 1024u,
    .blockSize          = 64u * 1024u,
    .isUniformBlockSize = false,
};

The read LUT should match the timing diagram given in the datasheet:

The RADDR (row address) is 24 bits (0x18), there is a 8-bit Mode (MODE8), needs to be 0xFx, followed by 4 dummy cycles (DUMMY), finally it reads data.

Note: my board design didn't leave the DQS pad floating, so I had to loopback from SCK. For optimal performance, leave the DQS pad floating, and use DQS loopback.