基于ARM的多通道專業(yè)MP3播放器設(shè)計(jì)
1 引 言
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品以其自然的人機(jī)交互界面和豐富的多媒體處理能力迅速得以推廣，并取得了巨大成功[1]。
目前，在多媒體音頻領(lǐng)域中，MP3播放器占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位。但現(xiàn)有的MP3播放器驅(qū)動能力非常有限，只適合個(gè)人使用，不能滿足大型公共場所在不同區(qū)域播放不同背景音樂的多通道播放需要?；谝陨戏治?，本文設(shè)計(jì)了一種基于S3C44B0X芯片的μClinux環(huán)境下的多通道專業(yè)MP3播放器。
2 系統(tǒng)功能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
多通道專業(yè)MP3播放器是專為滿足公共語音廣播市場的需求而設(shè)計(jì)的，其主要功能包括：
（1）音頻解碼和播放功能；
（2）通過USB接口與大容量外部存儲設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
（3）操作界面統(tǒng)一管理功能；
（4）多通道播放功能。
為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)多通道播放管理，本系統(tǒng)選用三星公司的S3C44B0X作為核心處理器，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出通道的選擇，以及 LCD的控制。同時(shí)，選用意法半導(dǎo)體的STA013作為解碼芯片，配合AK4393實(shí)現(xiàn)模擬音頻信號的輸出，此外，使用SL811HS和ISP1520提供兩個(gè)主USB接口，以實(shí)現(xiàn)移動硬盤或U盤的掛接。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，其開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)在于軟硬件的可裁剪性[2]，在確保有一個(gè)穩(wěn)定的最小系統(tǒng)以后，再對外圍的設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。此多通道專業(yè)MP3播放器的核心芯片S3C44B0X是基于arm7 而開發(fā)的多功能SOC（Signal Operation Control）。S3C44B0X除具備一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM控制器和3個(gè)串口等外設(shè)之外，還具有TFT LCD控制器、USB Slave、USB Host、I2C總線控制器、SPI控制器、IIS音頻接口、SD&MMC存儲卡接口等豐富的擴(kuò)展功能[3]。由于S3C44B0X對于SL811構(gòu)建的主USB接口技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在這里就不再敘述。此外，S3C44B0X提供的標(biāo)準(zhǔn)接口可以支持市面上絕大多數(shù)型號的LCD顯示屏，制作也相對簡單，所以本文只對MP3播放器的解碼實(shí)現(xiàn)部分和多通道的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
3.1 MP3解碼電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)解碼部分的硬件采用了ST公司的STA013解碼芯片以及AKM的AK4393芯片。STA013是一款優(yōu)秀的MP3解碼芯片，它通過 IIC總線來傳輸控制信息，通過串行數(shù)據(jù)線接收語音數(shù)據(jù)。AK4393是一款高品質(zhì)的立體聲DAC芯片，支持24bit/96KHz取樣，采用 “復(fù)合比特”技術(shù)使芯片的解碼更為快速和準(zhǔn)確。
解碼部分與S3C44B0X的接口電路部分如圖2所示。通過S3C44B0X的I/O口對STA013發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，解碼過程由STA013的 DSP核來進(jìn)行。STA013解碼后的數(shù)字音頻信號由SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）， SCKT（串行時(shí)鐘)， LRCKT(左右聲道時(shí)鐘)， OCLK(采樣時(shí)鐘)4個(gè)腳輸出到D/A轉(zhuǎn)換器AK4393。通過AK4393將得到的模擬音頻信號，再經(jīng)過功率放大電路放大后就可以直接驅(qū)動無源音箱。
圖2 解碼部分接口電路圖
此外，由于實(shí)現(xiàn)多通道的播放形式，所以需要在設(shè)計(jì)過程中提供多套相同的解碼芯片和DAC。
3.2 多通道功能的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)多通道播放采用的基本方法是（以四通道為例）：當(dāng)系統(tǒng)上電以后，解碼控制信號為了實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)解碼通道的具體工作狀態(tài)控制，通過采用外接一個(gè)四路轉(zhuǎn)換開關(guān)（CD4066），控制各路通道解碼芯片的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)換開關(guān)四路通道的輸入部分連接CPU的IIC總線的IICSDA，通過與CPU相連的多個(gè)控制引腳（CTRL1，2，3，4），確定控制數(shù)據(jù)的傳輸方向。四路通道的時(shí)鐘信號則直接連接在CPU上，只有控制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才發(fā)生作用。
在播放過程中，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)各通道傳輸數(shù)據(jù)的請求，選通該路的解碼芯片，被選通的解碼芯片對從總線上獲取的mp3文件數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，而未被選通的解碼通道則忽略總線上的音頻數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)請求的中斷請求信號由高變低，系統(tǒng)開始響應(yīng)下一次數(shù)據(jù)請求。通過這種各通道交替工作的方式，實(shí)現(xiàn)四通道同步播放的功能。工作原理圖如圖3所示：
圖3 多通道工作原理圖
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序及播放器應(yīng)用程序3部分。
4.1 操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)就完全由BootLoader來完成。BootLoader 的任務(wù)是初始化芯片和主板，系統(tǒng)選用的是U-Boot-1.1.2啟動程序，因?yàn)閁-Boot的優(yōu)點(diǎn)在于對多系統(tǒng)和多平臺的支持。由于S3C44B0X沒有存儲管理單元（MMU），所以無法移植標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核，而μClinux主要是針對沒有MMU的處理器設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)[4]，因此可以作為播放器的操作系統(tǒng)平臺進(jìn)行移植。通過修改相應(yīng)的配置文件和驅(qū)動程序就可以實(shí)現(xiàn)移植過程中需要創(chuàng)建的開發(fā)板文件。
4.2 驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)所編譯的μClinux內(nèi)核中包含有USB、LCD等驅(qū)動程序，只要根據(jù)需要適當(dāng)?shù)男薷谋憧梢詰?yīng)用。但是對于MP3解碼部分芯片的驅(qū)動需要自己編寫。音頻驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能是：
?。?）系統(tǒng)啟動時(shí)可以完成芯片的初始化；
（2）具體操作時(shí)可以提供給操作系統(tǒng)合適的軟件接口。音頻驅(qū)動初始化程序如下：
void STA013_Init(void)
{
if(STA013_SendCommand(RESET_REG,0,0x00)) //復(fù)位STA013
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(ACT_CON_REG,0,0x00)) //未激活狀態(tài)
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(PWR_CON_REG,0,0x00)) //上電
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(FS_CON_REG,0,
I STA013L_FsValue[SysInfo.SamplingIndex])) //選擇采樣頻率
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(IF_CON_REG,0,0x02+(0<<6))) //選擇1
6位IIS數(shù)據(jù)格式
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(ANG_CTL_REG,0,0)) // 0x13, 0x12選擇DAC
STA013_PrintError(); 和Line In輸入模式
if(STA013_SendCommand(DGT_CTL_REG,0,0x00)) // DAC靜音
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(LHP_VOL_REG,0,0x00)) //左聲道音量
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(RHP_VOL_REG,0,0x00)) //右聲道音量
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(ACT_CON_REG,0,0x00)) //數(shù)據(jù)傳送激活
STA013_PrintError();
}
4.3 播放程序的設(shè)計(jì)
作為本系統(tǒng)的一個(gè)主要創(chuàng)新點(diǎn)，在多通道部分設(shè)計(jì)合理且高效的播放程序代碼很重要，在這里采用的是將待解碼的MP3文件先由USB設(shè)備復(fù)制到內(nèi)存的緩沖區(qū)，再由緩沖區(qū)發(fā)送給解碼器的方法。播放時(shí)，程序會根據(jù)每個(gè)通道的歌曲信息將MP3文件流從USB設(shè)備復(fù)制到相應(yīng)的緩沖區(qū)中。其主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：
for(i=0;i<4;i++){
if((dbuf[i]=malloc(BUF_LEN))==NULL){
printf("Allocation %d Error n", i);
exit(1);
}
}
4.4 操作界面的實(shí)現(xiàn)
完整的MP3播放器設(shè)備需要有一個(gè)簡潔的操作界面。本系統(tǒng)的操作界面選用MiniGUI軟件進(jìn)行編寫，通過對MiniGUI運(yùn)行模式的選擇、 MiniGUI的移植[5]以及界面程序的編寫，最終的操作界面如圖4所示。整個(gè)操作界面簡潔明了，系統(tǒng)在開機(jī)后提供了當(dāng)前時(shí)間，以及播放、設(shè)置和復(fù)位按鍵，可以直接通過播放鍵來實(shí)現(xiàn)多通道播放功能，通過設(shè)置鍵進(jìn)行歌曲目錄的編排。
圖4 播放器主界面
5 結(jié)束語
多通道MP3播放器與傳統(tǒng)的MP3播放器相比，具有許多優(yōu)勢，可以滿足大型公共場所對背景音樂更高性能的需求。多通道MP3播放器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)音頻輸出通道同步播放，并可以通過USB接口外掛存儲設(shè)備實(shí)現(xiàn)歌曲的大容量存儲。此外，系統(tǒng)還提供了串口、以太網(wǎng)等一系列接口，方便與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和軟件升級。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)了基于arm7平臺下的多通道MP3播放器，實(shí)現(xiàn)了對外接移動硬盤或U盤上的mp3文件進(jìn)行多通道同步播放。
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