如何設(shè)計(jì)基于ARM的多通道專(zhuān)業(yè)MP3播放器？

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(duì)的主導(dǎo)地位。但現(xiàn)有的MP3播放器驅(qū)動(dòng)能力非常有限，只適合個(gè)人使用，不能滿足大型公共場(chǎng)所在不同區(qū)域播放不同背景音樂(lè)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(zhuān)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(zhuān)業(yè)MP3播放器是專(zhuān)為滿足公共語(yǔ)音廣播市場(chǎng)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(guò)USB接口與大容量外部存儲(chǔ)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(hào)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(dòng)硬盤(pán)或U盤(pán)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(kāi)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(duì)外圍的設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展。此多通道專(zhuān)業(yè)MP3播放器的核心芯片S3C44B0X是基于ARM7而開(kāi)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

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(guò)IIC總線來(lái)傳輸控制信息，通過(guò)串行數(shù)據(jù)線接收語(yǔ)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(guò)S3C44B0X的I/O口對(duì)STA013發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，解碼過(guò)程由STA013的DSP核來(lái)進(jìn)行。STA013解碼后的數(shù)字音頻信號(hào)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(guò)AK4393將得到的模擬音頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)功率放大電路放大后就可以直接驅(qū)動(dòng)無(wú)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(guò)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(hào)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)解碼通道的具體工作狀態(tài)控制，通過(guò)采用外接一個(gè)四路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(CD4066)，控制各路通道解碼芯片的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)四路通道的輸入部分連接CPU的IIC總線的IICSDA，通過(guò)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(hào)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(guò)程中，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)各通道傳輸數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，選通該路的解碼芯片，被選通的解碼芯片對(duì)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(qǐng)求的中斷請(qǐng)求信號(hào)由高變低，系統(tǒng)開(kāi)始響應(yīng)下一次數(shù)據(jù)請(qǐng)求。通過(guò)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(dòng)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(méi)有像BIOS那樣的固件程序，因此整個(gè)系統(tǒng)的加載啟動(dòng)任務(wù)就完全由BootLoader來(lái)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(dòng)程序，因?yàn)閁-Boot的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)多系統(tǒng)和多平臺(tái)的支持。由于S3C44B0X沒(méi)有存儲(chǔ)管理單元(MMU)，所以無(wú)法移植標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核，而μClinux主要是針對(duì)沒(méi)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(tái)進(jìn)行移植。通過(guò)修改相應(yīng)的配置文件和驅(qū)動(dòng)程序就可以實(shí)現(xiàn)移植過(guò)程中需要?jiǎng)?chuàng)建的開(kāi)發(fā)板文件。

4.2驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序，只要根據(jù)需要適當(dāng)?shù)男薷谋憧梢詰?yīng)用。但是對(duì)于MP3解碼部分芯片的驅(qū)動(dòng)需要自己編寫(xiě)。音頻驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能是：(1)系統(tǒng)啟動(dòng)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(dòng)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16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();[!--empirenews.page--]

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?jiǎng)?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(huì)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(jiǎn)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(xiě)，通過(guò)對(duì)MiniGUI運(yùn)行模式的選擇、MiniGUI的移植[5]以及界面程序的編寫(xiě)，最終的操作界面如圖4所示。整個(gè)操作界面簡(jiǎn)潔明了，系統(tǒng)在開(kāi)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(guò)播放鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)多通道播放功能，通過(guò)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(yǔ)

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(shì)，可以滿足大型公共場(chǎng)所對(duì)背景音樂(lè)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(guò)USB接口外掛存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)歌曲的大容量存儲(chǔ)。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(jí)。