基于LPC2214和uC／OS-II 的音頻處理方案
關(guān)鍵詞 VS1003 LPC2214 uC／OS-II 音頻編碼 音頻解碼
基于ARM平臺(tái)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式技術(shù)應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，因此，在開(kāi)發(fā)一款工控手持設(shè)備中，也基于這樣的平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)該工控手持設(shè)備對(duì)音頻編解碼功能的特殊要求，并綜合考慮了成本及可靠性的要求，最終采用了基于LPC2214和uC／0S-II的嵌入式平臺(tái)，結(jié)合一款性能優(yōu)越的音頻編解碼芯片——VSl003來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1 基于LPC2214和uC／OS-II的嵌入式平臺(tái)
目前流行的ARM芯片內(nèi)核有ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM922T、ARM940T、ARM946T、ARM966T和ARMl0TDMI等。Philips LPC2214是基于ARM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器。它集成了Thumb擴(kuò)展指令集，256KB可在系統(tǒng)中編程的片內(nèi)Flash和可在應(yīng)用中編程的16KB RAM，向量中斷控制器，外部總線控制器，2個(gè)UART，I2C串行接口，2個(gè)SPI串行接口，2個(gè)定時(shí)器(7個(gè)捕獲／比較通道)，可提供多達(dá)6個(gè)PWM輸出的PWM單元，8通道10位ADC，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，看門(mén)狗定時(shí)器以及112個(gè)通用I／O引腳。通過(guò)可編程的片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)可實(shí)現(xiàn)LPC2214最高為60MHz的CPU時(shí)鐘頻率。相對(duì)眾多ARM系列產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，Philips公司生產(chǎn)的LPC2214是一款性價(jià)比較高的ARM7芯片。
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有助于提高系統(tǒng)可靠性和開(kāi)發(fā)效率，且能夠充分發(fā)揮32位CPU的多任務(wù)處理能力。常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、Windows CE、VxWorks、Nuckus、uC／0S-II等。其中uC／OS-II是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其周邊的配套產(chǎn)品也比較完善，如uC／FS、uC／GUI等產(chǎn)品都為其應(yīng)用增強(qiáng)了實(shí)用性。相對(duì)其他操作系統(tǒng)而言，uC／OS-II正常運(yùn)行只需十幾或幾十KB的Flash空間和SRAM空間，并且其所需的授權(quán)費(fèi)用也相對(duì)較低。結(jié)合以LPC2214為核心的硬件平臺(tái)，在這里采用了uC／OS-II作為該設(shè)備的嵌入式操作系統(tǒng)。
由上述分析可知，選擇LPC2214和uC／OS-II相結(jié)合的嵌入式平臺(tái)是一種較為經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的方法。
2 音頻解碼芯片的選擇
LPC2214與uC／OS-II相結(jié)合的平臺(tái)具有比較強(qiáng)大的處理能力，但在許多應(yīng)用場(chǎng)合中仍顯不足。在本文所介紹的應(yīng)用中，系統(tǒng)需要具有音頻編解碼功能，音頻的編解碼方式包括軟件編解碼和硬件編解碼。如果采用軟件編解碼的方式，則對(duì)處理器的處理速度要求一般在50MIPS以上，而LPC2214的處理速度僅有70MIPS左右。顯然倘若采用這種方式，LPC2214處理能力將受到很大限制。所以，采用專門(mén)的音頻處理芯片來(lái)處理音頻數(shù)據(jù)對(duì)該平臺(tái)來(lái)說(shuō)是個(gè)正確的選擇。這里選用一款性能優(yōu)越的音頻解碼芯片——VSl003。
VSl003音頻解碼芯片為VSl0XX系列的第三代產(chǎn)品，是芬蘭VLSI Solution Oy公司生產(chǎn)的單片MP3／WMA／MIDI解碼和ADPCM編碼芯片。它內(nèi)部包含一個(gè)高性能、低功耗的DSP處理核(VSDSP)，一個(gè)工作內(nèi)存，一片可供用戶程序使用的5．5KB RAM，一個(gè)串行SPI總線接口，一個(gè)高質(zhì)量的采樣頻率可調(diào)的過(guò)采樣DAC以及一個(gè)16位的過(guò)采樣ADC。VSl003的內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。
3 VSl003控制協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
VSl003通過(guò)一個(gè)工作于從模式的SPI串行總線與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交流。音頻數(shù)據(jù)通過(guò)串行數(shù)據(jù)接口(SDI)傳送；控制數(shù)據(jù)則通過(guò)串行控制接口(SCI)來(lái)傳送?？刂茢?shù)據(jù)總是為16位，通過(guò)讀／寫(xiě)不同的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)VS1003的控制。
VSl003的SPI接口具有兩種工作模式：VSl002新模式和VSl001兼容模式。設(shè)置SM_SDINEW為1，使VSl003處于VSl002新模式。當(dāng)SMSDISHARED為O時(shí)，控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送分別采用xCS和xDCS作為同步信號(hào)；而當(dāng)SMSDISHARED為1時(shí)，共用xCS作為同步信號(hào)。沒(méi)置SM_SDINEW為O．使VSl003處于VSl001兼容模式，該模式僅以xCS作為同步信號(hào)。
作為從機(jī)工作模式，VSl003通過(guò)一個(gè)信號(hào)線DREQ指示是否允許主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)DREQ為高時(shí)，VSl003至少可以接收32KB的SDI數(shù)據(jù)或者SCI控制命令。
在這里，以VSl002新模式且SMSDISHARED設(shè)置為O為例介紹VSl003通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。圖2描述了SDI工作時(shí)序，它以xDCS為同步信號(hào)，隨著時(shí)鐘信號(hào)DCLK的變化，數(shù)據(jù)根據(jù)SCL_MODE的設(shè)置依次從高位或低位送出。
SCI協(xié)議包括1個(gè)控制指令字節(jié)、1個(gè)地址字節(jié)和1個(gè)16位數(shù)據(jù)字。每次讀/寫(xiě)控制可以操作一個(gè)寄存器。讀命令和寫(xiě)命令分別為0x03和0x02。這兩種控制命令的工作時(shí)序分別如圖3和圖4所示。
4 電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是一款具有人機(jī)界面及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的工控手持設(shè)備，通過(guò)人機(jī)對(duì)話界面發(fā)送控制命令來(lái)操縱VSl003，以實(shí)現(xiàn)錄放音功能。
4.1 硬件電路設(shè)計(jì)
VSl003的所有數(shù)據(jù)和控制命令均通過(guò)SPI總線接口實(shí)現(xiàn)，因此與LPC2214的接口實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，包括3條SPI數(shù)據(jù)線和4條控制線，如圖5所示。
4.2 軟件設(shè)計(jì)
VSl003的控制軟件設(shè)計(jì)，是在系統(tǒng)成功地移植了uC／OS-II操作系統(tǒng)以及ZLGFS文件系統(tǒng)的條件下進(jìn)行的。具體軟件設(shè)計(jì)中，首先對(duì)LPC2214與VSl003控制接口的幾個(gè)功能引腳進(jìn)行相疵的配置，然后使能SPI并設(shè)置其工作模式。此后，利用uC／OS-II多任務(wù)的特點(diǎn)，建立一個(gè)專門(mén)的任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的錄放音功能。在該任務(wù)創(chuàng)建完畢后，首先完成對(duì)VSl003的初始化工作；然后任務(wù)進(jìn)入等待循環(huán)中，等待系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令。當(dāng)該任務(wù)接收到錄音指令時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的錄音功能函數(shù)啟動(dòng)錄音功能，并將錄音數(shù)據(jù)寫(xiě)入指定的文件中；當(dāng)接收到播放功能指令時(shí)，調(diào)用播放功能函數(shù)，播放指定的音頻文件；當(dāng)接收到中斷指令時(shí)．將退出錄放音功能，任務(wù)回到循環(huán)等待中。該任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：
編者注：VS1003的驅(qū)動(dòng)程序以及相關(guān)錄音和播放功能程序見(jiàn)本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn。
5 總 結(jié)
采用VSl003實(shí)現(xiàn)基于LPC2214和uC／OS-II的嵌入式平臺(tái)的音頻編解碼功能，接口電路簡(jiǎn)單，控制程序易于編寫(xiě)，且最終音頻播放清晰、自然。當(dāng)然在具體設(shè)計(jì)中也曾遇到一些需要注意的問(wèn)題，例如要成功對(duì)VSl003進(jìn)行初始化，必須詳細(xì)了解VS1003的配置時(shí)序要求。特別要注意的是，對(duì)不同寄存器配置完后，其等待處理周期有所不同，若等待周期不夠，則將使得配置無(wú)法正常完成。
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