用CS43L42音頻解碼器和EP7212嵌入式處理器設計的MP3文件播放系統(tǒng)

    摘要：介紹了CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的音頻解碼芯片CS43L42與嵌入式處理器EP7212的接口實現(xiàn)方法，分析了基于嵌入式處理器EP7212/7312和CS43L42芯片的MP3文件播放系統(tǒng)，給出了由其組成的完整硬件連接圖和有效的軟件實現(xiàn)方法。

    關鍵詞：嵌入式處理器；數(shù)字音頻接口DAI；CS43L42；MP3；EP7212

１ 引言

目前存儲聲音信息的音頻數(shù)據(jù)格式主要有ＰＣＭ文件、ＶＯＣ文件、ＭＩＤＩ文件、ＭＰ３文件等。對導航系統(tǒng)來說，要實現(xiàn)音頻文件的播放，存儲器容量是一個需要考慮的問題。由于導航系統(tǒng)的存儲空間有限，所以要求存儲的文件壓縮率高。與其它文件格式相比，ＭＰ３音頻文件具有較高的壓縮率和不遜色于ＣＤ的音質(zhì)，所以在導航系統(tǒng)中音頻文件的存儲選用ＭＰ３格式。

ＭＰ３的全稱為ＭＰＥＧ１ Ｌａｙｅｒ－３音頻文件，ＭＰＥＧ?Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ?在漢語中譯為活動圖像專家組，特指活動影音壓縮標準。ＭＰＥＧ音頻文件是ＭＰＥＧ１標準中的聲音部分，也叫ＭＰＥＧ音頻層，它根據(jù)壓縮質(zhì)量和編碼復雜程度劃分為三層，即Ｌａｙｅｒ１、Ｌａｙｅｒ２、Ｌａｙｅｒ３，分別對應ＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３這三種聲音文件，并根據(jù)不同的用途，使用不同層次的編碼。ＭＰＥＧ音頻編碼的層次越高，編碼器越復雜，壓縮率也越高，ＭＰ１和ＭＰ２的壓縮率分別為４：１和６：１～８：１，而ＭＰ３的壓縮率則高達１０：１～１２：１，也就是說，一分鐘ＣＤ音質(zhì)的音樂，未經(jīng)壓縮需要１０ＭＢ的存儲空間，而經(jīng)過ＭＰ３壓縮編碼后只有１ＭＢ左右。不過ＭＰ３對音頻信號采用的是有損壓縮方式，為了降低聲音失真度，ＭＰ３采取了“感官編碼技術”，即編碼時先對音頻文件進行頻譜分析，然后再用過濾器濾掉噪音電平，接著通過量化的方式將剩下的每一位重新排列，最后形成具有較高壓縮率的ＭＰ３文件，從而使壓縮后的文件在回放時能夠達到比較接近原音源的聲音效果。

    雖然ＭＰ３是一種有損壓縮方式，但它以極小的聲音失真換來較高的壓縮比，因此在較多的場合得以應用。尤其是隨著數(shù)字技術的發(fā)展，ＭＰ３壓縮方式在便攜式電子產(chǎn)品中得到了越來越廣泛的應用，深受追求時尚、新潮的青年朋友的喜愛。

２ ＣＳ４３Ｌ４２播放芯片

ＣＳ４３Ｌ４２是ＣＩＲＲＵＳ ＬＯＧＩＣ公司生產(chǎn)的音頻解碼芯片，它可工作在１．８～３．３Ｖ，關掉線性放大器時功耗僅１６ｍＷ?非常適合于ＭＰ３、ＭＤ播放器等低功耗場合的應用。該芯片是一款完全意義上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它包括１ｂｉｔ Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換、模擬濾波、音量控制、線性電壓輸出以及耳機放大器。通過改變主頻率，其允許的輸入采樣頻率可從２ｋ～１００ｋＨｚ變化。該器件具有數(shù)字重音、峰值限制和去加重等特性。此外，由于采用了ＰＯＰＧＵＡＲＤ技術，ＣＳ４３Ｌ４２還可有效防止加電、斷電時產(chǎn)生的瞬間沖擊。

ＣＳ４３Ｌ４２具有ＤＡＩ接口，能夠與嵌入式處理器ＥＰ７２１２／７３１２較好的配合。它具有三種模式：雙線模式、ＳＰＩ模式、ＳＴＡＮＤ ＡＬＯＮＥ模式。通過引腳ＣＰ／ＳＡ和ＡＤ０／ＣＳ／ＤＥＭ０置相應狀態(tài)可以設置這三種模式。當ＣＰ／ＳＡ引腳為低電平時，芯片為ＳＴＡＮＤ ＡＬＯＮＥ模式，當ＣＰ／ＳＡ為高電平時，只要檢測到引腳ＡＤ０／ＣＳ／ＤＥＭ０電平從低到高變化，則進入ＳＰＩ模式，否則為雙線模式。在ＳＴＡＮＤ ＡＬＯＮＥ模式下，可用ＳＣＬ／ＣＣＬＫ／ＤＩＦ１和ＳＤＡ／ＣＤＩＮ／ＤＩＦ０引腳來設置數(shù)據(jù)、左／右時鐘以及主時鐘之間的關系。在雙線模式和ＳＰＩ模式下，則可以通過對寄存器進行操作來實現(xiàn)靜音、聲道衰減和音量控制等功能。圖１是ＣＳ４３Ｌ４２的內(nèi)部原理圖，圖２是該芯片的引腳排列示意圖，各引腳的功能如下：

１腳（ＲＳＴ）：復位信號，低有效。

２腳（ＬＲＣＫ）：左／右?guī)健?/P>

３腳（ＳＤＡＴＡ）：串行音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)隨串行時鐘引入。

４腳（ＡＤ０／ＣＳ／ＤＥＭ０）：在ＳＰＩ模式下，用于使能控制端口。

５腳（ＳＣＬＫ／ＤＥＭ１）：位時鐘，等于ＭＣＬＫ的１／２，每幀有１２８位。

６腳（ＶＬ）：數(shù)字電源電壓，典型值為１．８Ｖ～３．３Ｖ。

７腳（ＭＣＬＫ）：２ｘ過采樣時鐘，僅在從模式下輸入。

圖3

    ８腳（ＳＣＬ／ＣＣＬＫ／ＤＩＦ１）：串行控制接口時鐘。

９腳（ＳＤＡ／ＣＤＩＮ／ＤＩＦ０）：串行控制數(shù)據(jù)輸入輸出。

１０腳（Ｎ．Ｃ．）：無連接，懸空。

１１腳（ＣＰ／ＳＡ）：控制模式和等待模式控制。

１２腳（ＶＱ＿ＨＰ）：耳機靜態(tài)電壓接口。

１３腳（ＲＥＦ＿ＧＮＤ）：連接到模擬地。

１４腳（ＦＩＬＴ＋）：正向基準電壓，用于內(nèi)部采樣電路。

１５腳（ＶＱ＿ＬＩＮＥ）：線輸出靜態(tài)電壓接口。

１６?２１腳（ＨＰ＿Ａ，ＨＰ＿Ｂ）：耳機輸出。

１７腳（ＧＮＤ）：連接到模擬地。

１８腳（ＶＡ）：模擬電源電壓，典型值為１．８Ｖ～３．３Ｖ。

１９腳（ＶＡ＿ＬＩＮＥ）：線性擴音器電源端，典型值在１．８Ｖ～３．３Ｖ。

２０腳（ＶＡ＿ＨＰ）：耳機放大電源端，典型值為０．９Ｖ～３．３Ｖ。

２２，２３腳（ＡＯＵＴＢ? ＡＯＵＴＡ）：模擬輸出端。

２４腳（ＭＵＴＥＣ）：靜音控制。

３ ＣＳ４３Ｌ４２的硬件連接電路

如系統(tǒng)中芯片工作在ＳＴＡＮＤ＿ＡＬＯＮＥ模式，則將ＤＩＦ１、ＤＩＦ０分別設置為低、高電平表示接收左起有效的２４位數(shù)據(jù)。圖３是ＣＳ４３Ｌ４２的典型外圍連接電路。圖中的電容Ｃ由下式給出：

Ｃ＝(ＲＬ＋５６０)/[４π Ｆｓ(ＲＬ·５６０)]

４ ＭＰ３播放軟件設計

ＭＰ３文件播放的軟件設計任務如下：

（１）初始化ＥＰ７２１２ 的ＤＡＩ接口。

（２）將ＭＰ３文件解碼成ＰＣＭ文件并存放于開辟的兩個緩沖區(qū)（左、右兩個聲道）。

（３）在ＦＩＱ（快速中斷請求）中將ＰＣＭ格式的數(shù)據(jù)寫到ＤＡＩ接口，同時播放聲音（未有數(shù)據(jù)時播放靜音）。

４．１ ＥＰ７２１２的ＤＡＩ接口介紹和初始化

ａ． ＤＡＩ接口

ＥＰ７２１２／７３１２的數(shù)字音頻接口（ＤＡＩ）主要用于支持高質(zhì)量立體聲的音頻處理。圖４是ＣＳ４３Ｌ４２與嵌入式微處理器ＥＰ７２１２的ＤＡＩ接口電路。該接口主要由以下五個信號組成：

（１）ＬＲＣＫ，左／右?guī)健?/P>

（２）ＳＣＬＫ，位時鐘，等于ＭＣＬＫ的１／２，每幀有１２８位。

（３）ＭＣＬＫ，２ｘ過采樣時鐘，僅在從模式下輸入。

（４）ＳＤＯＵＴ，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸出。

（５）ＳＤＩＮ，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸入。

用ＭＳＢ／Ｌｅｆｔ數(shù)據(jù)調(diào)整格式意味著數(shù)據(jù)在幀同步信號（ＬＲＣＫ）電位改變后立即被計時。ＭＳＢ在第一位時是左調(diào)整，這與Ｉ２Ｓ格式相比有些不同，Ｉ２Ｓ格式的數(shù)據(jù)在改變電位后要延遲一個時鐘。數(shù)據(jù)幀每幀是１２８位長，這樣每個聲道６４位長。幀的大小和ＬＲＣＫ的運行周期在ＥＰ７２１２／７３１２中不能被設置。ＳＣＬＫ可從ＭＣＬＫ中得到，頻率等于１／２ ＭＣＬＫ。缺省模式中，ＤＡＩ處于主模式。該模式下自己產(chǎn)生的ＭＣＬＫ時鐘等于９．２１６ＭＨｚ。這樣，ＳＣＬＫ等于４．６０８ＭＨｚ。對于需要ＳＣＬＫ有不同速率的應用，ＤＡＩ可以被設置成從模式。在從模式下，外部源通過ＭＣＬＫ引腳給ＭＣＬＫ提供主時鐘，然后分成兩半生成ＳＣＬＫ。不管ＤＡＩ模式如何設置，ＳＣＬＫ和ＬＲＣＫ通常都設置成輸出。數(shù)據(jù)一般在ＳＣＬＫ的上升沿鎖入，在下降沿釋放。

ＤＡＩ接口是一種高質(zhì)量的數(shù)字音頻接口，可以連接與ＤＡＩ接口兼容的音頻設備。ＥＰ７２１２ 的ＤＡＩ接口通過位時鐘和幀同步時鐘產(chǎn)生１２８ｂｉｔ幀數(shù)據(jù)。數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送均采用全雙工方式，對應于１２采樣深度的接收ＦＩＦＯ和８采樣深度的發(fā)送ＦＩＦＯ。在ＤＡＩ 接口信號中，ＭＣＬＫ是主時鐘，它是音頻采樣頻率的２５６倍，ＳＣＬＫ為音頻采樣頻率的１２８倍，ＬＲＣＫ固定為采樣頻率。由于本系統(tǒng)中的ＭＣＬＫ連接外部時鐘發(fā)生器，頻率為１１．２８９６ＭＨｚ?所以采樣頻率為４４．１ＫＨｚ。其ＤＡＩ接口時序圖如圖５所示。

圖5

    ＤＡＩ的幀長１２８ｂｉｔ?其中包括一個音頻采樣數(shù)據(jù)，在這１２８ｂｉｔ中，僅有３２ｂｉｔ為實際的音頻數(shù)據(jù)，其余輸出均為零。左／右時鐘作為幀同步信號，左／右時鐘從高到低表示右聲道的１６ｂｉｔ數(shù)據(jù)，從低到高表示左聲道的１６ｂｉｔ數(shù)據(jù)。

ｂ． ＤＡＩ接口初始化

ＤＡＩ初始化程序中首先應設置控制寄存器， 接著選擇外部時鐘有效以及在左發(fā)送ＦＩＦＯ數(shù)據(jù)少于一半時產(chǎn)生中斷。然后清除狀態(tài)寄存器上溢、下溢位，之后使ＤＡＩ接口、發(fā)送ＦＩＦＯ和接收ＦＩＦＯ有效。最后打開ＤＡＩ中斷。

４．２ ＭＰ３文件的解碼

ＡＲＭ公司提供有基于ＡＲＭ處理器音頻文件解碼庫，它能夠有效地解碼ＭＰ３格式的歌曲，而輸出１６ｂｉｔ立體聲ＰＣＭ數(shù)據(jù)。

ａ． 解碼庫所定義的結(jié)構(gòu)

·ｔＳａｍｐｌｅＲａｔｅ定義了解碼數(shù)據(jù)ＰＣＭ的采樣率

ｔｙｐｅｄｅｆ ｅｎｕｍ ｔａｇＳａｍｐｌｅＲａｔｅ

{

ＳＲ １１ ０２５ｋＨｚ?

ＳＲ １２ｋＨｚ?

ＳＲ ４４ １ｋＨｚ?

ＳＲ ４８ｋＨｚ?

ＳＲ ３２ｋＨｚ?

ＳＲ Ｒｅｓｅｒｖｅｄ

} ｔＳａｍｐｌｅＲａｔｅ ?

·ｔＭＰＥＧＳｔａｔｕｓ 給出了ＭＰ３函數(shù)返回狀態(tài)值。

ｔｙｐｅｄｅｆ ｅｎｕｍ ｔａｇＭＰＥＧＳｔａｔｕｓ

{

ｅＮｏＥｒｒ?

ｅＮｏＳｙｎｃｗｏｒｄ?

ｅＣＲＣＥｒｒｏｒ?

ｅＢｒｏｋｅｎＦｒａｍｅ?

ｅＥｎｄＯｆＢｉｔｓｔｒｅａｍ?

ｅＤａｔａＯｖｅｒｆｌｏｗ?

} ｔＭＰＥＧＳｔａｔｕｓ ?

·ｔＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ?給出ＭＰＥＧ比特流的指針，ｂｕｆｐｔｒ定義為比特流的字指針，ｂｉｔｉｄｘ定義為字中的索引（０－３１）。

ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ ｔａｇＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ

{

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＊ ｂｕｆｐｔｒ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｂｉｔｉｄｘ?

} ｔＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ?

·ｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ?包括ＭＰＥＧ音頻報頭信息，ｓａｍ-ｐｌｅ＿ｒａｔｅ為ＰＣＭ采樣頻率，ｓａｍｐｌｅｓｐｅｒｃｈａｎｎｅｌ為每個聲道的采樣數(shù)，ｎｕｍｃｈａｎｓ為聲道數(shù)，ｐａｃｋｅｄ ｉｎｆｏ為報頭信息，ｂｉｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ為下一次調(diào)用函數(shù)需要ｂｉｔ數(shù)，ｆｒｅｅ ｆｏｒｍａｔ是指比特流的格式。

ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ ｔａｇＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ

{

ｔＳａｍｐｌｅＲａｔｅ ｓａｍｐｌｅ ｒａｔｅ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｓａｍｐｌｅｓｐｅｒｃｈａｎｎｅｌ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｎｕｍｃｈａｎｓ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｐａｃｋｅｄ ｉｎｆｏ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｂｉｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ?

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｆｒｅｅ ｆｏｒｍａｔ?

} ｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ?

    ｂ． ＭＰ３解碼庫所提供的函數(shù)

·ＩｎｉｔＭＰ３Ａｕｄｉｏ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ?

功能：初始化解碼器解碼指針。

·ＭＰ３ＳｅａｒｃｈＦｏｒＳｙｎｃｗｏｒｄ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ?ｔＭ-ＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ ＊ｂｓ?ｌｅｎｇｔｈ?

功能：查找ＭＰＥＧ數(shù)據(jù)中的同步字。

·ＭＰ３ＤｅｃｏｄｅＩｎｆｏ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ ｉｎｓｔ?ｔＭＰＥＧＢｉｔ-ｓｔｒｅａｍ ＊ ｂｓ?ｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ ＊ ｐｍｐｅｇ ｈｄｒ?

功能：從ＭＰＥＧ幀中獲得報頭的信息。

·ＭＰ３ＤｅｃｏｄｅＤａｔａ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ? ｓｈｏｒｔ ＊ｌｅｆｔ?ｓｈｏｒｔ ＊ ｒｉｇｈｔ? ｔＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ ＊ ｂｓ?

功能：從ＭＰ３數(shù)據(jù)解碼成ＰＣＭ數(shù)據(jù)，并將其存到ｌｅｆｔ、ｒｉｇｈｔ指向的緩沖區(qū)中。

ｃ． ＭＰ３程序解碼流程及在ＦＩＱ中斷中的實現(xiàn)

圖６所示是該系統(tǒng)中ＭＰ３文件的解碼流程。該文件可在ＦＩＱ中斷中實現(xiàn)播放。由于ＤＡＩ ＦＩＦＯ對應于ＦＩＱ中斷，因此，它可以通過控制寄存器來設置ＦＩＦＯ的中斷方式，并可在程序中將產(chǎn)生中斷的位置設置在左發(fā)送ＦＩＦＯ中少于四個采樣數(shù)據(jù)時。由于在ＦＩＱ中斷中保存有ＭＰ３解碼緩沖區(qū)的地址，因此，若在進入ＦＩＱ后各寫四個采樣數(shù)據(jù)到左右ＦＩＦＯ中，那么，對于４４．１ｋＨｚ文件來說，ＦＩＱ發(fā)生的速率將為１１ｋＨｚ。為了保證左右ＦＩＦＯ的正確填充，一般需要交替寫兩個ＦＩＦＯ。此時如果ＭＰ３緩沖區(qū)無數(shù)據(jù)，則可寫０（靜音）到兩個ＦＩＦＯ中，這樣，程序就可以跳出ＦＩＦＯ中斷接著處理數(shù)據(jù)。需要說明的是：無論程序是否需要錄音，都要從接收緩沖區(qū)讀四個數(shù)據(jù)，這樣可確保ＤＡＩ ＦＩＦＯ處于同步狀態(tài)而不會產(chǎn)生失真。另外，在ＦＩＱ處理程序的最后，還要清除溢出狀態(tài)位，這樣可以防止ＦＩＱ始終中斷。