王瑜

（西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710077）

在生產(chǎn)、生活中需要播放音樂的場(chǎng)合很多，如工廠、圖書館、商場(chǎng)、學(xué)校、公園、電子導(dǎo)游、停車場(chǎng)、醫(yī)療設(shè)備等。隨著科技和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品隨處可見，給人們的生活帶來了便利。聽音樂可以提升創(chuàng)造力、舒緩壓力、解除疲勞、幫助睡眠，傳統(tǒng)的多功能音樂播放器面向高端市場(chǎng)，難以普及到大眾，而在我國中低端市場(chǎng)才是消費(fèi)主力軍[1]。該文設(shè)計(jì)了一款基于Arduino UNO 和ESP8266 開發(fā)板并結(jié)合BY8001 語音模塊的音樂播放器。

Arduino UNO 的大腦是ATmega 328P，Arduino UNO 開發(fā)板有14 個(gè)數(shù)字I/O 引腳和6 個(gè)模擬輸入引腳，一個(gè)16 MHz 的晶振，一個(gè)USB 接口，一個(gè)DC 接口等，硬件資源豐富，使用電池可以驅(qū)動(dòng)，使用方便、成本低。可以通過Arduino IDE 進(jìn)行編程，并下載到Arduino UNO 開發(fā)板中，不需要外接編程器。音樂播放器所有的硬件設(shè)備均在Arduino UNO 開發(fā)板上進(jìn)行集成和控制。通過Arduino IDE 軟件程序的控制完成各個(gè)模塊之間接口的數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)同工作[2-3]。ESP8266 開發(fā)板上嵌入了ESP8266 芯片，該開發(fā)板采用板載PCB 天線，支持STA、AP、STA+AP 三種工作模式，支持無線802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，支持UART/GPIO 數(shù)據(jù)通信接口[4]，利用ESP8266 開發(fā)板獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，可以實(shí)時(shí)顯示在OLED上。BY8001語音模塊采用BY8001-SSOP24 MP3 主控芯片，支持MP3、WAV 格式雙解碼。模塊內(nèi)置TF 卡座，可插卡進(jìn)行更換語音內(nèi)容，支持MP3、WAV高品質(zhì)音頻格式文件，聲音優(yōu)美，模塊支持24位DAC輸出，其動(dòng)態(tài)范圍為90 dB、信噪比為85 dB[5]。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

音樂播放器結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由Arduino UNO 開發(fā)板、ESP8266 開發(fā)板、語音模塊、TF 卡、喇叭、OLED 液晶顯示器、按鍵、電源組成[6]。電源給整個(gè)系統(tǒng)供電，語音模塊、TF 卡、喇叭根據(jù)由按鍵輸入的控制信號(hào)來播放音樂或語音，在播放前需要將音樂或語音文件復(fù)制到TF 卡中。ESP8266 開發(fā)板獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，通過串口發(fā)送到Arduino UNO 開發(fā)板，利用兩個(gè)開發(fā)板之間的通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的傳輸，并顯示在OLED 液晶顯示器上，從而實(shí)現(xiàn)音樂播放器存儲(chǔ)音樂或音頻文件，并根據(jù)按鍵選擇播放音樂或音頻、顯示播放信息、顯示網(wǎng)絡(luò)時(shí)間等功能。

圖1 音樂播放器結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 音樂/語音播放電路

音樂播放器選用BY8001 語音模塊作為音樂/語音播放模塊，由按鍵輸入信號(hào)控制BY8001 語音模塊播放TF 卡中的音樂/語音信息。TF 卡中的音樂/語音文件的排序按照存儲(chǔ)的先后順序，為了確保從電腦存入TF卡內(nèi)的音樂/語音文件的順序正確。首先，在電腦上將音樂/語音文件命名排序好（在SD 卡內(nèi)修改音樂/語音文件排序無效），可以將音樂/語音文件命名為0001XXX.MP3、0002XXX.MP3、0003XXX.MP3…。BY8001 語音模塊的16 個(gè)引腳分別為BUSY（忙信號(hào)）、RX、TX、DACR（DAC 右聲道輸出）、DACL（DAC左聲道輸出）、SPK1、SPK2、VCC、I/O1～I(xiàn)/O5（觸發(fā)輸入口1～5）、GND、DP（USB 數(shù)據(jù)線）、DM（USB 數(shù)據(jù)線）。BY8001 語音模塊有五個(gè)觸發(fā)I/O 口，最多支持15 段按鍵一對(duì)一觸發(fā)播放。音樂播放器的音樂/語音播放電路如圖2 所示，按鍵的一端接地，另一端接BY8001 的I/O1、I/O2 引腳，同時(shí)和Arduino UNO 的引腳3、引腳4 連接，該設(shè)計(jì)的按鍵選擇獨(dú)立式按鍵，即每一個(gè)I/O 口上只接一個(gè)按鍵，另一端接地，這種接法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定[7-8]。

圖2 音樂/語音播放電路

2.2 OLED顯示電路

OLED顯示電路如圖3所示，OLED用來顯示當(dāng)前時(shí)間、曲目信息等內(nèi)容[9]，顯示器選取0.96 寸128×64分辨率OLED 液晶顯示屏，采用SSD1306 驅(qū)動(dòng)芯片，基于三線SPI 通信的七線制OLED 顯示屏模塊，采用三條通信線路傳輸數(shù)據(jù)[10]。OLED 的7 個(gè)引腳分別為GND、VCC（3.3～5 V）D0（時(shí)鐘線）、D1（數(shù)據(jù)線）、RES（復(fù)位線）、DC（數(shù)據(jù)命令選擇線）和CS（SPI 片選線）。OLED 的7 個(gè)引腳和Arduino 的連接關(guān)系如下：OLED 的電源接Arduino 的VCC引腳；OLED 的地接Arduino 的GND 引腳；OLED 的D0 接Arduino 的13 引腳；OLED 的D1 接Arduino 的11引腳；OLED 的RES接Arduino 的8引腳；OLED 的DC 接Arduino 的9 引腳；OLED 的CS 接Arduino 的10 引腳[11]。

圖3 OLED顯示電路

當(dāng)按下“顯示當(dāng)前時(shí)間”按鍵時(shí)，在OLED 液晶顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間，如圖4 所示；當(dāng)按下“曲目選擇”按鍵時(shí)，在OLED 液晶顯示器上顯示“曲目選擇”菜單，如圖5 所示；當(dāng)按下“播放曲目1”按鍵時(shí)，利用音樂/語音播放電路播放TF 卡中的曲目1，并在OLED 液晶顯示器上顯示曲目1 播放界面，如圖6 所示；當(dāng)按下“播放曲目2”按鍵時(shí)，利用音樂/語音播放電路播放TF 卡中的曲目2，并在OLED 液晶顯示器上顯示曲目2 播放界面，如圖7 所示[12]。

圖4 顯示當(dāng)前時(shí)間

圖5 “曲目選擇”菜單

圖6 曲目1播放界面

圖7 曲目2播放界面

2.3 Arduino UNO和ESP8266開發(fā)板通信電路

系統(tǒng)選用ESP8266開發(fā)板獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，ESP8266開發(fā)板有豐富的GPIO接口、擴(kuò)展口和串口等，ESP8266開發(fā)板和Arduino UNO 的連接電路如圖8 所示。ESP8266 開發(fā)板的GND 引腳和Arduino UNO 的GND引腳相連；ESP8266 的GPIO1 引腳和Arduino UNO 的RX 引腳相連；ESP8266 的GPIO3 引腳和Arduino UNO 的TX 引腳相連[13-14]。ESP8266 開發(fā)板連接WiFi，獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，通過串口發(fā)送到Arduino UNO，并根據(jù)按鍵功能利用OLED 液晶顯示器顯示當(dāng)前時(shí)間，這種方法獲得的時(shí)間精準(zhǔn)，只要有網(wǎng)絡(luò)即可，而不需要校時(shí)[15-16]。

圖8 ESP8266開發(fā)板和Arduino UNO的連接電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 OLED軟件設(shè)計(jì)

OLED 液晶顯示器是一種高對(duì)比度、高分辨率的顯示器，具有良好的顯示界面，可以顯示字符、圖形、漢字甚至更高級(jí)的動(dòng)畫，極大地提高了系統(tǒng)的可操作性[17]。利用Arduino UNO 控制OLED 液晶顯示器顯示字符、圖形等信息，需要使用OLED 模塊的專用庫SSD1306 和圖形庫GFX。

首先，利用PCtoLCD2002 字模提取軟件將OLED顯示的圖形轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。接著，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)組中。最后，利用庫函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)將圖形顯示在OLED 液晶顯示器上。

3.2 字模提取

文中使用PCtoLCD2002軟件提取字模，雙擊桌面圖標(biāo)，打開軟件。軟件有圖形模式和字符模式兩種工作模式，PCtoLCD2002軟件圖形模式界面如圖9所示。

圖9 PCtoLCD2002軟件圖形模式界面

通過選擇“模式菜單”，可以切換圖形模式或字符模式。選擇圖形模式，可以將BMP 格式的二值圖像轉(zhuǎn)換成OLED 液晶顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)；選擇字符模式，可以將中英文字符、數(shù)字等字符轉(zhuǎn)換成OLED 液晶顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)。PCtoLCD2002 軟件字符模式界面如圖10 所示。

圖10 PCtoLCD2002軟件字符模式界面

首先，在圖10 中的文本框輸入需要轉(zhuǎn)換的文字，例如，輸入“西安航空學(xué)院”，設(shè)置字體等信息，接著，單擊“字模生成和液晶面板選項(xiàng)”，設(shè)置“字模選項(xiàng)”中的內(nèi)容，點(diǎn)擊“生成字?！眻D標(biāo)按鈕，生成文字對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)，如圖11 所示。

圖11 PCtoLCD2002軟件字符模式生成數(shù)據(jù)

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Arduino UNO 是基于Atmega328P 的開發(fā)板。Arduino IDE 提供了廣泛的庫函數(shù)，易于編程，使用Arduino IDE 可以將程序下載到Arduino UNO 開發(fā)板中[18-19]。該系統(tǒng)的軟件流程圖如圖12所示。首先，初始化串口、按鍵引腳、OLED 液晶顯示器等。接著，掃描按鍵并判斷哪個(gè)鍵按下，如果“曲目選擇”按鍵按下，則在OLED 液晶顯示器中顯示“曲目選擇”菜單；如果“曲目選擇”按鍵沒有按下，則判斷“播放曲目1”按鍵是否按下，如果“播放曲目1”按鍵按下，則在OLED 液晶顯示器中顯示“曲目1 播放”界面，并控制BY8001 語音模塊播放曲目1；如果“播放曲目1”按鍵沒有按下，判斷“播放曲目2”按鍵是否按下。如果“播放曲目2”按鍵按下，則在OLED 液晶顯示器中顯示“曲目2 播放”界面，并控制BY8001 語音模塊播放曲目2；如果“播放曲目2”按鍵沒有按下，則判斷“顯示當(dāng)前時(shí)間”按鍵是否按下。如果“顯示當(dāng)前時(shí)間”按鍵按下，則讀取ESP8266 開發(fā)板發(fā)送的時(shí)間數(shù)據(jù)[20]；如果“顯示當(dāng)前時(shí)間”按鍵沒有按下，則繼續(xù)掃描按鍵。

圖12 軟件流程圖

4 結(jié)論

該文以Arduino UNO 開發(fā)板為核心，以Arduino IDE 作為軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino 的音樂播放器。文中介紹了硬件組成和框圖，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、Arduino UNO 開發(fā)板和ESP8266 開發(fā)板的通信設(shè)計(jì)、OLED 軟件設(shè)計(jì)、字模提取、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。系統(tǒng)具有音樂存儲(chǔ)、語音存儲(chǔ)、播放、曲目選擇、液晶顯示、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間校準(zhǔn)等功能。經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠正常工作，穩(wěn)定性強(qiáng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，非常適合在工廠、圖書館、商場(chǎng)、學(xué)校、公園等場(chǎng)合應(yīng)用。