基于ARM的多通道专业MP3播放器设计
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1 引 言
随着微电子技术的飞速发展，嵌入式产品以其自然的人机交互界面和丰富的多媒体处理能力迅速得以推广，并取得了巨大成功[1]。
目前，在多媒体音频领域中，MP3播放器占据了绝对的主导地位。但现有的MP3播放器驱动能力非常有限，只适合个人使用，不能满足大型公共场所在不同区域播放不同背景音乐的多通道播放需要。基于以上分析，本文设计了一种基于S3C44B0X芯片的μClinux环境下的多通道专业MP3播放器。
2 系统功能分析与结构设计
多通道专业MP3播放器是专为满足公共语音广播市场的需求而设计的，其主要功能包括：
（1）音频解码和播放功能；
（2）通过USB接口与大容量外部存储设备进行数据传输；
（3）操作界面统一管理功能；
（4）多通道播放功能。
为了提高系统运行效率，实现多通道播放管理，本系统选用三星公司的S3C44B0X作为核心处理器，主要负责数据转换，输出通道的选择，以及 LCD的控制。同时，选用意法半导体的STA013作为解码芯片，配合AK4393实现模拟音频信号的输出，此外，使用SL811HS和ISP1520提供两个主USB接口，以实现移动硬盘或U盘的挂接。其系统总体结构如图1所示：
图1 系统总体结构图
3 系统硬件设计
作为一种典型的嵌入式系统，其开发的优点在于软硬件的可裁剪性[2]，在确保有一个稳定的最小系统以后，再对外围的设备进行扩展。此多通道专业MP3播放器的核心芯片S3C44B0X是基于arm7 而开发的多功能SOC（Signal Operation Control）。S3C44B0X除具备一般嵌入式芯片所具有的总线、SDRAM控制器和3个串口等外设之外，还具有TFT LCD控制器、USB Slave、USB Host、I2C总线控制器、SPI控制器、IIS音频接口、SD&MMC存储卡接口等丰富的扩展功能[3]。由于S3C44B0X对于SL811构建的主USB接口技术已经相当成熟，在这里就不再叙述。此外，S3C44B0X提供的标准接口可以支持市面上绝大多数型号的LCD显示屏，制作也相对简单，所以本文只对MP3播放器的解码实现部分和多通道的实现方法进行详细说明。
3.1 MP3解码电路设计
本系统解码部分的硬件采用了ST公司的STA013解码芯片以及AKM的AK4393芯片。STA013是一款优秀的MP3解码芯片，它通过 IIC总线来传输控制信息，通过串行数据线接收语音数据。AK4393是一款高品质的立体声DAC芯片，支持24bit/96KHz取样，采用 “复合比特”技术使芯片的解码更为快速和准确。
解码部分与S3C44B0X的接口电路部分如图2所示。通过S3C44B0X的I/O口对STA013发送音频数据，解码过程由STA013的 DSP核来进行。STA013解码后的数字音频信号由SDO（串行数据输出）， SCKT（串行时钟)， LRCKT(左右声道时钟)， OCLK(采样时钟)4个脚输出到D/A转换器AK4393。通过AK4393将得到的模拟音频信号，再经过功率放大电路放大后就可以直接驱动无源音箱。
图2 解码部分接口电路图
此外，由于实现多通道的播放形式，所以需要在设计过程中提供多套相同的解码芯片和DAC。
3.2 多通道功能的实现
系统多通道播放采用的基本方法是（以四通道为例）：当系统上电以后，解码控制信号为了实现对每一个解码通道的具体工作状态控制，通过采用外接一个四路转换开关（CD4066），控制各路通道解码芯片的工作状态。转换开关四路通道的输入部分连接CPU的IIC总线的IICSDA，通过与CPU相连的多个控制引脚（CTRL1，2，3，4），确定控制数据的传输方向。四路通道的时钟信号则直接连接在CPU上，只有控制数据传输时才发生作用。
在播放过程中，CPU实时响应各通道传输数据的请求，选通该路的解码芯片，被选通的解码芯片对从总线上获取的mp3文件数据进行解码，而未被选通的解码通道则忽略总线上的音频数据。当数据请求的中断请求信号由高变低，系统开始响应下一次数据请求。通过这种各通道交替工作的方式，实现四通道同步播放的功能。工作原理图如图3所示：
图3 多通道工作原理图
4 系统软件设计
系统软件包括操作系统、驱动程序及播放器应用程序3部分。
4.1 操作系统的实现
在嵌入式系统中，通常并没有像BIOS那样的固件程序，因此整个系统的加载启动任务就完全由BootLoader来完成。BootLoader 的任务是初始化芯片和主板，系统选用的是U-Boot-1.1.2启动程序，因为U-Boot的优点在于对多系统和多平台的支持。由于S3C44B0X没有存储管理单元（MMU），所以无法移植标准的Linux内核，而μClinux主要是针对没有MMU的处理器设计的操作系统[4]，因此可以作为播放器的操作系统平台进行移植。通过修改相应的配置文件和驱动程序就可以实现移植过程中需要创建的开发板文件。
4.2 驱动程序的设计
本系统所编译的μClinux内核中包含有USB、LCD等驱动程序，只要根据需要适当的修改便可以应用。但是对于MP3解码部分芯片的驱动需要自己编写。音频驱动程序实现的主要功能是：
（1）系统启动时可以完成芯片的初始化；
（2）具体操作时可以提供给操作系统合适的软件接口。音频驱动初始化程序如下：
void STA013_Init(void)
{
if(STA013_SendCommand(RESET_REG,0,0x00)) //复位STA013
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(ACT_CON_REG,0,0x00)) //未激活状态
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(PWR_CON_REG,0,0x00)) //上电
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(FS_CON_REG,0,
I STA013L_FsValue[SysInfo.SamplingIndex])) //选择采样频率
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(IF_CON_REG,0,0x02+(0<<6))) //选择1
6位IIS数据格式
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(ANG_CTL_REG,0,0)) // 0x13, 0x12选择DAC
STA013_PrintError(); 和Line In输入模式
if(STA013_SendCommand(DGT_CTL_REG,0,0x00)) // DAC静音
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(LHP_VOL_REG,0,0x00)) //左声道音量
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(RHP_VOL_REG,0,0x00)) //右声道音量
STA013_PrintError();
if(STA013_SendCommand(ACT_CON_REG,0,0x00)) //数据传送激活
STA013_PrintError();
}
4.3 播放程序的设计
作为本系统的一个主要创新点，在多通道部分设计合理且高效的播放程序代码很重要，在这里采用的是将待解码的MP3文件先由USB设备复制到内存的缓冲区，再由缓冲区发送给解码器的方法。播放时，程序会根据每个通道的歌曲信息将MP3文件流从USB设备复制到相应的缓冲区中。其主要实现代码如下：
for(i=0;i<4;i++){
if((dbuf[i]=malloc(BUF_LEN))==NULL){
printf("Allocation %d Error n", i);
exit(1);
}
}
4.4 操作界面的实现
完整的MP3播放器设备需要有一个简洁的操作界面。本系统的操作界面选用MiniGUI软件进行编写，通过对MiniGUI运行模式的选择、 MiniGUI的移植[5]以及界面程序的编写，最终的操作界面如图4所示。整个操作界面简洁明了，系统在开机后提供了当前时间，以及播放、设置和复位按键，可以直接通过播放键来实现多通道播放功能，通过设置键进行歌曲目录的编排。
图4 播放器主界面
5 结束语
多通道MP3播放器与传统的MP3播放器相比，具有许多优势，可以满足大型公共场所对背景音乐更高性能的需求。多通道MP3播放器可以实现多个音频输出通道同步播放，并可以通过USB接口外挂存储设备实现歌曲的大容量存储。此外，系统还提供了串口、以太网等一系列接口，方便与外部进行数据交换和软件升级。
本文创新点：设计了基于arm7平台下的多通道MP3播放器，实现了对外接移动硬盘或U盘上的mp3文件进行多通道同步播放。
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