基于ARM Cortex-M3的嵌入式网络播放系统

摘要：针对一般嵌入式播放系统无网络功能，提出一种网络播放系统硬件平台设计方案。该方案采用ARM Cortex-M3构架的LM3S1138作为主控制器，以USB控制器CH375、网络器件ENC28J60和音频解码器VSl003作为外围器件，采用μC／OS作为操作系统。并给出系统软件的设计方法，包括设备驱动程序设计和应用程序设计。通过测试，该系统能流畅下载和播放网络歌曲，并能广泛应用于家电产品、车栽电子产品和公共广播场所。
关键词：嵌入式系统；ARM Cortex-M3；以太网接口；APl；应用程序

    随着网络应用的普及，为普通嵌入式系统增加网络功能，能更好满足消费者对网络资源的需求。这里采用基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S1138实现一种具备网络功能的播放终端系统，该系统不仅具有良好的播放效果，还可从网络音乐服务器上点播音乐并实时播放。

1 网络播放系统的设计方案
    该网络播放系统由服务器、用户终端和音响设备组成。其中，服务器通过以太网提供音乐资源，用户终端通过网络下载音频数据再实现音频解码，音响设备实现音乐播放。图1给出该系统设计框图。

    该系统设计采用基于ARM Cortex-M3的控制器LM3Sll38作为主控制器。该控制器改进了代码密度，减少中断延时，实现Thumb-2指令集，并具有更低功耗，适用于嵌入式微处理器；网络模块采用以太网控制器ENC602J28；音频编解码器采用VSl003，该器件拥有自主产权的DSP处理器核，具有高性能、低功耗等特性；并采用USB总线接口器件CH375扩展存储模块。支持海量存储。
    将嵌入式实时操作系统μC／OS-II移植到主处理器上，实现多任务的调度管理。系统工作时，通过操作播放器上的配置按钮，设置服务器和用户终端的相关网络配置，点击播放器中的连接按钮，发送连接服务器请求，服务器收到用户终端的连接请求，验证终端帐号正确后开始网络连接，向用户传送点播的资源列表，用户终端在播放器界面显示列表，此时，用户可以选择点播的歌曲，然后将音乐文件下载到存储设备中，下载完毕后，服务器关闭网络连接，播放器就可播放已下载歌曲。[!--empirenews.page--]

2 系统硬件模块设计
2．1 以太网接口
    ENC28J60是独立的以太网控制器，采用业界标准的SPI串行接口，具有10 Mb／s SPI接口，符合IEEE802．3协议，内置10 Mb／s以太网物理层器件(PHY)及介质访问控制器(MAC)。另外，它还具有可编程8 KB双端口SRAM缓冲器，此缓冲存储器具有灵活可靠的数据管理机制，以高效方式进行信息包的存储、检索和修改，以减轻主控器件的内存负荷。

    图2为网络接口硬件连接示意图。ENC28J60通过SPI总线实现与LM3Sll38的数据传输，CS为片选信号，SCLK为时钟信号，MOSI／MISO为数据传输串口。此外，ENC28J60还与网络变压器HR901l70A相连，引出刚45接口。
2．2音频接口
    VSl003音频编解码器为VSl0XX系列第3代产品，包括MP3／WMA／MIDI解码和ADPCM编码2个单器件。其内置有高性能、低功耗的DSP处理核(VSDSP)，工作内存，可供用户程序使用的5．5 KB RAM，串行SPI总线接口，高质量的采样频率可调的过采样D／A转换器以及16位的过采样A／D转换器。图3为音频编解码器模块硬件连接示意图，VSl003采用SPI总线与LM3Sll38实现通信。其中，SCLK为输入时钟，CS为片选信号，MOSI／MISO为数据串口，Demand为命令有效信号，VSl003外接音频输出设备。

2．3 USB控制接口
    CH375是一款支持USB-HOST主机方式和USB-DE-VICE／SLAVE从设备方式的器件，主机端点输入和输出缓冲区各64字节，支持常用的12 Mb／s全速USB设备，支持USB设备的控制传输、批量传输、中断传输。内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议，支持Bulk-Only传输协议和SCSI，UFI，RBC或等效命令集的USB存储设备。

    图4为USB控制接口模块硬件连接示意图，CH375通过UART串口与LM3S1138传输数据，*****为中断信号，TXD／RXD为数据传输串口，CH375连接USB存储设备。

3 系统软件设计
    μC／OS-II是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统内核，其具有以下优点：源代码公开，代码结构清晰，注释详尽，组织有条理，具有良好的可扩展性和可移植性，最多可以管理60个任务。该系统移植的μC／OS-II由用户层、中间件层、μC／OS-II源码层、μC／OS-II移植层和驱动库组成。用户层存放用户代码及设置，其中Main．c是用户编写任务处，Main．h定义堆栈大小及优先级；中间件层Middleware存放UART、SPI等串口通信中间件和TCP／IP协议栈LwIP；μC／OS-II源码层Source存放μC／OS-II的源代码；μC／OS-II移植层Port存放μC／OS-Ⅱ基于LM3S的移植代码，包括OS_CPU_C．C，OS_CPU_A．A，OS_CPU．C等3个必要文件；驱动库层是直接面向硬件设备层，它是硬件设备和应用程序之间的枢纽，直接与系统底层的硬件设备打交道，按照硬件设备的具体工作方式读写设备寄存器。将寄存器的数据与应用软件交互，ENC28J60、VSl003和CH375的驱动函数都在该层。
3．1网络驱动程序
    本系统采用ENC28J60以太网控制器，需编写网络设备驱动程序，实现低层网络接口及硬件函数驱动。该驱动程序设计主要包含网卡的初始化和数据的发送接收。[!--empirenews.page--]
    网卡初始化的驱动程序包括定义发送缓冲区大小、发送缓冲区数、ENC28J60的片选信号、ENC28J60的复位引脚以及网卡自检。具体程序代码如下：

    网卡数据传输的驱动程序包括申请IP地址，建立与服务器的连接，以及数据的接收和发送等，图5为其程序流程。

3．2文件系统
    文件系统是一种以结构化格式存储和信息检索的实现方法，可使用户方便快捷的管理存储数据。文件系统一般包括FAT32／16，NTFS，ext2／3，NFS等，本设计采用FATl6，可支持2 GB的最大分区，用于管理U盘中的音频文件，该文件系统的实现主要针对USB接口器件CH375进行驱动开发。
    在CH375驱动设计中，先实现FAT32／16文件系统层，再实现文件级API应用层。文件系统层采用CH375开发商提供的U盘文件级子程序库来实现，CH375的U盘文件级子程序库具有以下特性；支持常用的FAT16和FAT32文件系统，磁盘容量可达100 GB以上，支持多级子目录。支持8．3格式的大写字母和中文文件名，支持小写字母或长文件名，支持文件打开、删除、读写以及搜索等。文件系统移植好后，再进行API应用层驱动设计。应用层驱动包括CH375引脚配置、文件读写缓冲区配置、CH375读写程序的设计。在读写程序的设计中，要注意对CH375的延时操作，满足CH375的时序要求。
3．3音频驱动程序
    音频驱动的设计主要是针对VSl003的初始化设置和实现音频数据流的传输，并对应用层提供API接口，这里完成了音频播放功能程序的设计。
    在该程序设计中，首先对LMll38和VSl003控制接口的(MISO、MOSI、SCK、CS、Demand)引脚进行相应配置，VSl003初始化配置完成后，开始等待系统的播放标志置位，播放标志为“0”时，重新初始化VSl003，播放标志为“l”时，接收到系统的播放消息，使能SPI接口，选择将要播放的数据包，把音频数据写入SPI的缓冲存储区，然后再发送给VSl003的数据寄存器，当音频数据发送完成后，开始由VSl003处理这些音频数据，实现模拟音频数据的输出。该函数能够流畅地完成音频播放功能。[!--empirenews.page--]
3．4用户应用程序
    系统的应用程序主流程如图6所示。

    系统主任务启动后，先初始化人机界面库函数，它提供了操作界面的按键中断处理函数以及LCD的显示函数；再读取初始系统配置数据，如本地IP、服务器IP、用户账号、密码等，完成网络、音频编解码以及存储等模块的初始化；然后，主任务再创建多个子任务，包括ENC28-J60task，CH375task，VSl003task，humaninterfacetask，接着进入消息循环，消息循环是整个应用程序的核心部分，通过消息循环，系统不断获取用户操作消息，并做出相应处理，实现系统功能；当收到一个退出消息时，系统强制主任务跳出消息循环，关闭播放器操作界面，系统退出应用程序。

4 系统测试及分析
    系统调试成功后，可流畅地从服务器中下载音频数据，保存到外接USB设备中，然后再通过音频解码从音响播放出来。图7为该系统主界面，系统音质良好，达到设计要求。

5 结束语
    本系统设计采用基于ARM Cortex-M3的嵌入式器件LM3S1138作为主控制器件，采用ENC28J60作为网络接口器件，在μC／OS-II平台上构建一个实时的网络播放系统。该系统能够实现网络点播功能。如将ENC28J60更成为具有USB接口的无线网卡，则该系统还具有无线网络功能。而随着以太网技术的深入发展，将嵌入式系统与网络结合，在嵌入式实时操作系统中引入TCP／IP协议栈，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向，且对于一些基于网络接口的嵌入式系统都将具有广泛的应用前景。