基于ARM Cortex-M3的嵌入式網(wǎng)絡播放系統(tǒng)

摘要：針對一般嵌入式播放系統(tǒng)無網(wǎng)絡功能，提出一種網(wǎng)絡播放系統(tǒng)硬件平臺設計方案。該方案采用ARM Cortex-M3構架的LM3S1138作為主控制器，以USB控制器CH375、網(wǎng)絡器件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)軟件的設計方法，包括設備驅動程序設計和應用程序設計。通過測試，該系統(tǒng)能流暢下載和播放網(wǎng)絡歌曲，并能廣泛應用于家電產品、車栽電子產品和公共廣播場所。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ARM Cortex-M3；以太網(wǎng)接口；APl；應用程序

    隨著網(wǎng)絡應用的普及，為普通嵌入式系統(tǒng)增加網(wǎng)絡功能，能更好滿足消費者對網(wǎng)絡資源的需求。這里采用基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S1138實現(xiàn)一種具備網(wǎng)絡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)絡音樂服務器上點播音樂并實時播放。

1 網(wǎng)絡播放系統(tǒng)的設計方案
    該網(wǎng)絡播放系統(tǒng)由服務器、用戶終端和音響設備組成。其中，服務器通過以太網(wǎng)提供音樂資源，用戶終端通過網(wǎng)絡下載音頻數(shù)據(jù)再實現(xiàn)音頻解碼，音響設備實現(xiàn)音樂播放。圖1給出該系統(tǒng)設計框圖。

    該系統(tǒng)設計采用基于ARM Cortex-M3的控制器LM3Sll38作為主控制器。該控制器改進了代碼密度，減少中斷延時，實現(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，該器件擁有自主產權的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擴展存儲模塊。支持海量存儲。
    將嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II移植到主處理器上，實現(xiàn)多任務的調度管理。系統(tǒng)工作時，通過操作播放器上的配置按鈕，設置服務器和用戶終端的相關網(wǎng)絡配置，點擊播放器中的連接按鈕，發(fā)送連接服務器請求，服務器收到用戶終端的連接請求，驗證終端帳號正確后開始網(wǎng)絡連接，向用戶傳送點播的資源列表，用戶終端在播放器界面顯示列表，此時，用戶可以選擇點播的歌曲，然后將音樂文件下載到存儲設備中，下載完畢后，服務器關閉網(wǎng)絡連接，播放器就可播放已下載歌曲。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)硬件模塊設計
2．1 以太網(wǎng)接口
    ENC28J60是獨立的以太網(wǎng)控制器，采用業(yè)界標準的SPI串行接口，具有10 Mb／s SPI接口，符合IEEE802．3協(xié)議，內置10 Mb／s以太網(wǎng)物理層器件(PHY)及介質訪問控制器(MAC)。另外，它還具有可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器，此緩沖存儲器具有靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機制，以高效方式進行信息包的存儲、檢索和修改，以減輕主控器件的內存負荷。

    圖2為網(wǎng)絡接口硬件連接示意圖。ENC28J60通過SPI總線實現(xiàn)與LM3Sll38的數(shù)據(jù)傳輸，CS為片選信號，SCLK為時鐘信號，MOSI／MISO為數(shù)據(jù)傳輸串口。此外，ENC28J60還與網(wǎng)絡變壓器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代產品，包括MP3／WMA／MIDI解碼和ADPCM編碼2個單器件。其內置有高性能、低功耗的DSP處理核(VSDSP)，工作內存，可供用戶程序使用的5．5 KB RAM，串行SPI總線接口，高質量的采樣頻率可調的過采樣D／A轉換器以及16位的過采樣A／D轉換器。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實現(xiàn)通信。其中，SCLK為輸入時鐘，CS為片選信號，MOSI／MISO為數(shù)據(jù)串口，Demand為命令有效信號，VSl003外接音頻輸出設備。

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

    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，TXD／RXD為數(shù)據(jù)傳輸串口，CH375連接USB存儲設備。

3 系統(tǒng)軟件設計
    μC／OS-II是專門為嵌入式應用設計的實時操作系統(tǒng)內核，其具有以下優(yōu)點：源代碼公開，代碼結構清晰，注釋詳盡，組織有條理，具有良好的可擴展性和可移植性，最多可以管理60個任務。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移植層和驅動庫組成。用戶層存放用戶代碼及設置，其中Main．c是用戶編寫任務處，Main．h定義堆棧大小及優(yōu)先級；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個必要文件；驅動庫層是直接面向硬件設備層，它是硬件設備和應用程序之間的樞紐，直接與系統(tǒng)底層的硬件設備打交道，按照硬件設備的具體工作方式讀寫設備寄存器。將寄存器的數(shù)據(jù)與應用軟件交互，ENC28J60、VSl003和CH375的驅動函數(shù)都在該層。
3．1網(wǎng)絡驅動程序
    本系統(tǒng)采用ENC28J60以太網(wǎng)控制器，需編寫網(wǎng)絡設備驅動程序，實現(xiàn)低層網(wǎng)絡接口及硬件函數(shù)驅動。該驅動程序設計主要包含網(wǎng)卡的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。[!--empirenews.page--]
    網(wǎng)卡初始化的驅動程序包括定義發(fā)送緩沖區(qū)大小、發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)、ENC28J60的片選信號、ENC28J60的復位引腳以及網(wǎng)卡自檢。具體程序代碼如下：

    網(wǎng)卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)尿寗映绦虬ㄉ暾圛P地址，建立與服務器的連接，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)是一種以結構化格式存儲和信息檢索的實現(xiàn)方法，可使用戶方便快捷的管理存儲數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)一般包括FAT32／16，NTFS，ext2／3，NFS等，本設計采用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)的實現(xiàn)主要針對USB接口器件CH375進行驅動開發(fā)。
    在CH375驅動設計中，先實現(xiàn)FAT32／16文件系統(tǒng)層，再實現(xiàn)文件級API應用層。文件系統(tǒng)層采用CH375開發(fā)商提供的U盤文件級子程序庫來實現(xiàn)，CH375的U盤文件級子程序庫具有以下特性；支持常用的FAT16和FAT32文件系統(tǒng)，磁盤容量可達100 GB以上，支持多級子目錄。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，再進行API應用層驅動設計。應用層驅動包括CH375引腳配置、文件讀寫緩沖區(qū)配置、CH375讀寫程序的設計。在讀寫程序的設計中，要注意對CH375的延時操作，滿足CH375的時序要求。
3．3音頻驅動程序
    音頻驅動的設計主要是針對VSl003的初始化設置和實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)流的傳輸，并對應用層提供API接口，這里完成了音頻播放功能程序的設計。
    在該程序設計中，首先對LMll38和VSl003控制接口的(MISO、MOSI、SCK、CS、Demand)引腳進行相應配置，VSl003初始化配置完成后，開始等待系統(tǒng)的播放標志置位，播放標志為“0”時，重新初始化VSl003，播放標志為“l(fā)”時，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的緩沖存儲區(qū)，然后再發(fā)送給VSl003的數(shù)據(jù)寄存器，當音頻數(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用戶應用程序
    系統(tǒng)的應用程序主流程如圖6所示。

    系統(tǒng)主任務啟動后，先初始化人機界面庫函數(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、服務器IP、用戶賬號、密碼等，完成網(wǎng)絡、音頻編解碼以及存儲等模塊的初始化；然后，主任務再創(chuàng)建多個子任務，包括ENC28-J60task，CH375task，VSl003task，humaninterfacetask，接著進入消息循環(huán)，消息循環(huán)是整個應用程序的核心部分，通過消息循環(huán)，系統(tǒng)不斷獲取用戶操作消息，并做出相應處理，實現(xiàn)系統(tǒng)功能；當收到一個退出消息時，系統(tǒng)強制主任務跳出消息循環(huán)，關閉播放器操作界面，系統(tǒng)退出應用程序。

4 系統(tǒng)測試及分析
    系統(tǒng)調試成功后，可流暢地從服務器中下載音頻數(shù)據(jù)，保存到外接USB設備中，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)音質良好，達到設計要求。

5 結束語
    本系統(tǒng)設計采用基于ARM Cortex-M3的嵌入式器件LM3S1138作為主控制器件，采用ENC28J60作為網(wǎng)絡接口器件，在μC／OS-II平臺上構建一個實時的網(wǎng)絡播放系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡點播功能。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)絡功能。而隨著以太網(wǎng)技術的深入發(fā)展，將嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡結合，在嵌入式實時操作系統(tǒng)中引入TCP／IP協(xié)議棧，以支持嵌入式設備接入網(wǎng)絡，成為嵌入式領域重要的研究方向，且對于一些基于網(wǎng)絡接口的嵌入式系統(tǒng)都將具有廣泛的應用前景。