基于ARM Cortex-M3的嵌入式網(wǎng)絡(luò)播放系統(tǒng)

摘要：針對(duì)一般嵌入式播放系統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)功能，提出一種網(wǎng)絡(luò)播放系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。該方案采用ARM Cortex-M3構(gòu)架的LM3S1138作為主控制器，以USB控制器CH375、網(wǎng)絡(luò)器件ENC28J60和音頻解碼器VSl003作為外圍器件，采用μC／OS作為操作系統(tǒng)。并給出系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。通過測(cè)試，該系統(tǒng)能流暢下載和播放網(wǎng)絡(luò)歌曲，并能廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、車栽電子產(chǎn)品和公共廣播場(chǎng)所。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM Cortex-M3；以太網(wǎng)接口；APl；應(yīng)用程序

    隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，為普通嵌入式系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)功能，能更好滿足消費(fèi)者對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求。這里采用基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S1138實(shí)現(xiàn)一種具備網(wǎng)絡(luò)功能的播放終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有良好的播放效果，還可從網(wǎng)絡(luò)音樂服務(wù)器上點(diǎn)播音樂并實(shí)時(shí)播放。

1 網(wǎng)絡(luò)播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
    該網(wǎng)絡(luò)播放系統(tǒng)由服務(wù)器、用戶終端和音響設(shè)備組成。其中，服務(wù)器通過以太網(wǎng)提供音樂資源，用戶終端通過網(wǎng)絡(luò)下載音頻數(shù)據(jù)再實(shí)現(xiàn)音頻解碼，音響設(shè)備實(shí)現(xiàn)音樂播放。圖1給出該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于ARM Cortex-M3的控制器LM3Sll38作為主控制器。該控制器改進(jìn)了代碼密度，減少中斷延時(shí)，實(shí)現(xiàn)Thumb-2指令集，并具有更低功耗，適用于嵌入式微處理器；網(wǎng)絡(luò)模塊采用以太網(wǎng)控制器ENC602J28；音頻編解碼器采用VSl003，該器件擁有自主產(chǎn)權(quán)的DSP處理器核，具有高性能、低功耗等特性；并采用USB總線接口器件CH375擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊。支持海量存儲(chǔ)。
    將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II移植到主處理器上，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度管理。系統(tǒng)工作時(shí)，通過操作播放器上的配置按鈕，設(shè)置服務(wù)器和用戶終端的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)配置，點(diǎn)擊播放器中的連接按鈕，發(fā)送連接服務(wù)器請(qǐng)求，服務(wù)器收到用戶終端的連接請(qǐng)求，驗(yàn)證終端帳號(hào)正確后開始網(wǎng)絡(luò)連接，向用戶傳送點(diǎn)播的資源列表，用戶終端在播放器界面顯示列表，此時(shí)，用戶可以選擇點(diǎn)播的歌曲，然后將音樂文件下載到存儲(chǔ)設(shè)備中，下載完畢后，服務(wù)器關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接，播放器就可播放已下載歌曲。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
2．1 以太網(wǎng)接口
    ENC28J60是獨(dú)立的以太網(wǎng)控制器，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，具有10 Mb／s SPI接口，符合IEEE802．3協(xié)議，內(nèi)置10 Mb／s以太網(wǎng)物理層器件(PHY)及介質(zhì)訪問控制器(MAC)。另外，它還具有可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器，此緩沖存儲(chǔ)器具有靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，以高效方式進(jìn)行信息包的存儲(chǔ)、檢索和修改，以減輕主控器件的內(nèi)存負(fù)荷。

    圖2為網(wǎng)絡(luò)接口硬件連接示意圖。ENC28J60通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與LM3Sll38的數(shù)據(jù)傳輸，CS為片選信號(hào)，SCLK為時(shí)鐘信號(hào)，MOSI／MISO為數(shù)據(jù)傳輸串口。此外，ENC28J60還與網(wǎng)絡(luò)變壓器HR901l70A相連，引出剛45接口。
2．2音頻接口
    VSl003音頻編解碼器為VSl0XX系列第3代產(chǎn)品，包括MP3／WMA／MIDI解碼和ADPCM編碼2個(gè)單器件。其內(nèi)置有高性能、低功耗的DSP處理核(VSDSP)，工作內(nèi)存，可供用戶程序使用的5．5 KB RAM，串行SPI總線接口，高質(zhì)量的采樣頻率可調(diào)的過采樣D／A轉(zhuǎn)換器以及16位的過采樣A／D轉(zhuǎn)換器。圖3為音頻編解碼器模塊硬件連接示意圖，VSl003采用SPI總線與LM3Sll38實(shí)現(xiàn)通信。其中，SCLK為輸入時(shí)鐘，CS為片選信號(hào)，MOSI／MISO為數(shù)據(jù)串口，Demand為命令有效信號(hào)，VSl003外接音頻輸出設(shè)備。

2．3 USB控制接口
    CH375是一款支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DE-VICE／SLAVE從設(shè)備方式的器件，主機(jī)端點(diǎn)輸入和輸出緩沖區(qū)各64字節(jié)，支持常用的12 Mb／s全速USB設(shè)備，支持USB設(shè)備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。內(nèi)置固件處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議，支持Bulk-Only傳輸協(xié)議和SCSI，UFI，RBC或等效命令集的USB存儲(chǔ)設(shè)備。

    圖4為USB控制接口模塊硬件連接示意圖，CH375通過UART串口與LM3S1138傳輸數(shù)據(jù)，*****為中斷信號(hào)，TXD／RXD為數(shù)據(jù)傳輸串口，CH375連接USB存儲(chǔ)設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    μC／OS-II是專門為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：源代碼公開，代碼結(jié)構(gòu)清晰，注釋詳盡，組織有條理，具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性，最多可以管理60個(gè)任務(wù)。該系統(tǒng)移植的μC／OS-II由用戶層、中間件層、μC／OS-II源碼層、μC／OS-II移植層和驅(qū)動(dòng)庫(kù)組成。用戶層存放用戶代碼及設(shè)置，其中Main．c是用戶編寫任務(wù)處，Main．h定義堆棧大小及優(yōu)先級(jí)；中間件層Middleware存放UART、SPI等串口通信中間件和TCP／IP協(xié)議棧LwIP；μC／OS-II源碼層Source存放μC／OS-II的源代碼；μC／OS-II移植層Port存放μC／OS-Ⅱ基于LM3S的移植代碼，包括OS_CPU_C．C，OS_CPU_A．A，OS_CPU．C等3個(gè)必要文件；驅(qū)動(dòng)庫(kù)層是直接面向硬件設(shè)備層，它是硬件設(shè)備和應(yīng)用程序之間的樞紐，直接與系統(tǒng)底層的硬件設(shè)備打交道，按照硬件設(shè)備的具體工作方式讀寫設(shè)備寄存器。將寄存器的數(shù)據(jù)與應(yīng)用軟件交互，ENC28J60、VSl003和CH375的驅(qū)動(dòng)函數(shù)都在該層。
3．1網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序
    本系統(tǒng)采用ENC28J60以太網(wǎng)控制器，需編寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)低層網(wǎng)絡(luò)接口及硬件函數(shù)驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要包含網(wǎng)卡的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。[!--empirenews.page--]
    網(wǎng)卡初始化的驅(qū)動(dòng)程序包括定義發(fā)送緩沖區(qū)大小、發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)、ENC28J60的片選信號(hào)、ENC28J60的復(fù)位引腳以及網(wǎng)卡自檢。具體程序代碼如下：

    網(wǎng)卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)程序包括申請(qǐng)IP地址，建立與服務(wù)器的連接，以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等，圖5為其程序流程。

3．2文件系統(tǒng)
    文件系統(tǒng)是一種以結(jié)構(gòu)化格式存儲(chǔ)和信息檢索的實(shí)現(xiàn)方法，可使用戶方便快捷的管理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)一般包括FAT32／16，NTFS，ext2／3，NFS等，本設(shè)計(jì)采用FATl6，可支持2 GB的最大分區(qū)，用于管理U盤中的音頻文件，該文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要針對(duì)USB接口器件CH375進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā)。
    在CH375驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，先實(shí)現(xiàn)FAT32／16文件系統(tǒng)層，再實(shí)現(xiàn)文件級(jí)API應(yīng)用層。文件系統(tǒng)層采用CH375開發(fā)商提供的U盤文件級(jí)子程序庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，CH375的U盤文件級(jí)子程序庫(kù)具有以下特性；支持常用的FAT16和FAT32文件系統(tǒng)，磁盤容量可達(dá)100 GB以上，支持多級(jí)子目錄。支持8．3格式的大寫字母和中文文件名，支持小寫字母或長(zhǎng)文件名，支持文件打開、刪除、讀寫以及搜索等。文件系統(tǒng)移植好后，再進(jìn)行API應(yīng)用層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。應(yīng)用層驅(qū)動(dòng)包括CH375引腳配置、文件讀寫緩沖區(qū)配置、CH375讀寫程序的設(shè)計(jì)。在讀寫程序的設(shè)計(jì)中，要注意對(duì)CH375的延時(shí)操作，滿足CH375的時(shí)序要求。
3．3音頻驅(qū)動(dòng)程序
    音頻驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)VSl003的初始化設(shè)置和實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)流的傳輸，并對(duì)應(yīng)用層提供API接口，這里完成了音頻播放功能程序的設(shè)計(jì)。
    在該程序設(shè)計(jì)中，首先對(duì)LMll38和VSl003控制接口的(MISO、MOSI、SCK、CS、Demand)引腳進(jìn)行相應(yīng)配置，VSl003初始化配置完成后，開始等待系統(tǒng)的播放標(biāo)志置位，播放標(biāo)志為“0”時(shí)，重新初始化VSl003，播放標(biāo)志為“l(fā)”時(shí)，接收到系統(tǒng)的播放消息，使能SPI接口，選擇將要播放的數(shù)據(jù)包，把音頻數(shù)據(jù)寫入SPI的緩沖存儲(chǔ)區(qū)，然后再發(fā)送給VSl003的數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)音頻數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，開始由VSl003處理這些音頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模擬音頻數(shù)據(jù)的輸出。該函數(shù)能夠流暢地完成音頻播放功能。[!--empirenews.page--]
3．4用戶應(yīng)用程序
    系統(tǒng)的應(yīng)用程序主流程如圖6所示。

    系統(tǒng)主任務(wù)啟動(dòng)后，先初始化人機(jī)界面庫(kù)函數(shù)，它提供了操作界面的按鍵中斷處理函數(shù)以及LCD的顯示函數(shù)；再讀取初始系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)，如本地IP、服務(wù)器IP、用戶賬號(hào)、密碼等，完成網(wǎng)絡(luò)、音頻編解碼以及存儲(chǔ)等模塊的初始化；然后，主任務(wù)再創(chuàng)建多個(gè)子任務(wù)，包括ENC28-J60task，CH375task，VSl003task，humaninterfacetask，接著進(jìn)入消息循環(huán)，消息循環(huán)是整個(gè)應(yīng)用程序的核心部分，通過消息循環(huán)，系統(tǒng)不斷獲取用戶操作消息，并做出相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；當(dāng)收到一個(gè)退出消息時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制主任務(wù)跳出消息循環(huán)，關(guān)閉播放器操作界面，系統(tǒng)退出應(yīng)用程序。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析
    系統(tǒng)調(diào)試成功后，可流暢地從服務(wù)器中下載音頻數(shù)據(jù)，保存到外接USB設(shè)備中，然后再通過音頻解碼從音響播放出來。圖7為該系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)音質(zhì)良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于ARM Cortex-M3的嵌入式器件LM3S1138作為主控制器件，采用ENC28J60作為網(wǎng)絡(luò)接口器件，在μC／OS-II平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)播放系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能。如將ENC28J60更成為具有USB接口的無線網(wǎng)卡，則該系統(tǒng)還具有無線網(wǎng)絡(luò)功能。而隨著以太網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中引入TCP／IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，成為嵌入式領(lǐng)域重要的研究方向，且對(duì)于一些基于網(wǎng)絡(luò)接口的嵌入式系統(tǒng)都將具有廣泛的應(yīng)用前景。