Cortex-M3的音頻播放器設計

趙勇，鄭培臣，張歡歡

（渭南師范學院 物理與電氣工程學院，渭南 714000）

引 言

隨著物質(zhì)生活的極大豐富，人們對于消費電子的需求越來越多，要求也越來越高。市場上流行的MP3由于播放文件格式單一、人機界面單調(diào)，已經(jīng)不能滿足用戶的需求，本設計的多功能音頻播放器，除可完成＊.mp3、＊.wma、＊.wav等格式文件的播放外，還具有播放 MP4、閱讀電子小說、瀏覽圖片、聽收音機等功能，甚者還可擴展上網(wǎng)、下載應用程序或游戲等功能。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)以NXP公司的微處理器LPC1768為控制核心，讀取SD卡＊.mp3、＊.wma、＊.wav等格式的音頻文件，然后通過音頻解碼芯片VS1003實現(xiàn)解碼，最后通過外部音頻功放完成信號放大，輸出至揚聲器。該系統(tǒng)的整個系統(tǒng)框架分5部分：LPC1768微處理器、音頻解碼芯片VS1003、SD卡存儲器、LCD觸摸屏，以及FM收音機模塊TEA5756等。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 LPC1768微處理器

LPC1768是NXP公司推出的基于ARMv7體系架構的微處理器，具有高性能、低成本、低功耗的特點，專門為嵌入式應用領域設計。LPC1768系列芯片使用高性能的基于ARM Cortex－M3的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為100MHz，完全滿足音頻文件的讀取、解碼、播放等要求。它內(nèi)置高速存儲器（高達512KB的閃存和64KB的SRAM），還具有豐富的增強I／O端口和連接到兩條APB總線的外設。采用LPC1768主要實現(xiàn)對SD卡音頻格式文件的讀取，然后將音頻文件發(fā)送到外部音頻解碼芯片VS1003。人機交互功能中的觸摸屏控制所包括的操作系統(tǒng)及應用軟件的執(zhí)行均是通過該微處理器來完成。

2.2 音頻編解碼芯片VS1003

VS1003主要提供對固定格式音頻文件的解碼，為應用層播放音頻數(shù)據(jù)、控制音量聲道等提供基本接口。其內(nèi)部包含1個高性能、低功耗的DSP處理核（VLSI Solution's DSP），1個工作數(shù)據(jù)存儲器，可為用戶應用提供5KB的指令RAM和0.5KB的數(shù)據(jù)RAM，一個高品質(zhì)可變采樣率的ADC和立體聲DAC，還有串行SPI控制和數(shù)據(jù)接口。音頻文件的播放過程如下：首先，通過LPC1768的SPI接口從SD卡讀出＊.mp3、＊.wma等格式文件；然后，經(jīng)SPI接口將所要播放的文件發(fā)送到VS1003音頻解碼芯片；最后，由外圍的功放電路實現(xiàn)音頻放大、輸出。在此，為減小干擾和噪聲，提高音質(zhì)，解碼芯片獨占一個SPI接口。該解碼芯片與微處理器LPC1768的硬件連接電路如圖2所示。

2.3 SD卡存儲器

SD卡存儲器（Secure Digitaly Card）作為一種基于半導體的快閃記憶器被廣泛地應于便攜式裝置，例如數(shù)碼相機、PDA和多媒體播放器等。SD卡存儲器采用znFAT文件系統(tǒng)，以SPI模式進行讀寫操作。本設計中，SD卡存儲器主要功能是保存所要播放的音頻文件、電子閱讀器中的文本文件和圖像文件。SD卡存儲器的“刪除”、“拷貝”操作由讀卡器來完成，“讀”過程由LPC1768控制。LPC1768與SD卡存儲器的連接電路如圖2所示。

圖2 LPC1768與VS1003的硬件連接電路

2.4 觸摸屏

觸摸屏是一種可接收觸摸等輸入信號的感應式配液晶顯示裝置。當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預先編寫的程序驅動各種連接裝置，觸摸屏可取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。本設計中觸摸屏作為人機交互的圖形界面顯示，具有直觀、易操作等優(yōu)點。

2.5 FM收音機模塊

TEA5756是飛利浦公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字調(diào)頻收音機模塊，主要應用于MP3／MP4媒體播放機，采用I2C總線協(xié)議，具有比傳統(tǒng)模擬制式收音機模塊更突出的性能，音質(zhì)更清晰，噪音極少，功耗更低，集成度高。

本設計主要通過觸摸屏來調(diào)節(jié)收聽頻率、音量等一些基本設置。FM收音機模塊通過I2C總線設置TEA5756的寄存器，TEA5767控制子程序由幾個功能模塊組成：FC通信模塊、TEA5767向上搜索模塊、TEA5767向下搜索模塊頻率值轉換為PLL值模塊、PLL值轉換為頻率值模塊等。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 μC／OS-II操作系統(tǒng)移植

μC／OS－II是一種源代碼公開、結構小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的操作系統(tǒng)。對一個多任務的操作系統(tǒng)來說，任務間的通信和同步是必不可少的，μC／OS－II提供了4種同步對象，分別是信號量、郵箱、消息隊列和事件。所有這些同步對象都有創(chuàng)建、等待、發(fā)送、查詢的接口，用于實現(xiàn)任務間的通信和同步。要使μC／OS－II能正常運行，處理器必須滿足以下要求：

① 處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼。

② 處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷（通常在10～100Hz）。

③ 處理器支持能夠容納一定量數(shù)據(jù)（可能是幾千字節(jié)）的硬件堆棧。

④處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內(nèi)存中的指令。

中斷可以用以下函數(shù)配置：

與所有的實時內(nèi)核一樣，μC／OS－II需要先禁止中斷再訪問代碼的臨界段，并且在訪問完畢后重新允許中斷。這就需要μC／OS－II能夠保護臨界段代碼免受多任務或中斷服務例程（ISRs）的破壞。μC／OS－II要求用戶提供一個時鐘資源來實現(xiàn)時間的延時和期滿功能，時鐘節(jié)拍應該每秒鐘發(fā)生10～100次。為了完成該任務，可以使用硬件時鐘，也可以從交流電中獲得50Hz／60Hz的時鐘頻率。

本系統(tǒng)主要是對μC／OS－II移植處理器上需要修改的3個ARM 體系結構相關的文件——OS＿CPU.H、OS＿CPU＿A.ASM、OS＿CPU＿C.C進行了操作。

3.2 znFAT文件系統(tǒng)移植

znFAT文件操作系統(tǒng)方便文件的讀取，并能很好地顯示文件的各種屬性。例如文件的大小、創(chuàng)建時間、擴展名等。同時，支持FAT32、FAT16、FAT文件格式。該文件系統(tǒng)依靠純C語言實現(xiàn)，具有可裁剪和移植簡單等優(yōu)點，支持SD卡、CF卡、U盤等常見的可移動存儲設備，廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)的文件操作。移植過程只需要提供相應設備的扇區(qū)讀寫函數(shù)即可。本系統(tǒng)中所用到的SD卡即使用了znFAT文件系統(tǒng)。

3.3 μC／GUI和μC／GUI Builder界面設計

μC／GUI是一種用于嵌入式應用的圖形支持軟件。它被設計用于為任何使用一個圖形LCD的應用者提供一個有效的不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口。它能工作于單任務或多任務的系統(tǒng)環(huán)境下。μC／GUI軟件適用于任何LCD，支持任何尺寸的圖形LCD的物理和虛擬顯示。本文對LCD界面的設計用到了μC／GUI和μC／GUI Builder。μC／GUI目錄如表1所列。

表1 μC／GUI目錄

結 語

本文結合現(xiàn)代消費電子的發(fā)展趨勢，提出嵌入式系統(tǒng)下的音頻播放器設計新方案。該方案不僅降低了MP3播放器的開發(fā)成本，而且程序升級和移植都很方便。另外，該方案對便攜式多媒體播放器的研發(fā)也具有一定的意義。

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