基于Cortex M3的音頻播放器的設計

袁 衛

（1.西安電子科技大學 陜西 西安 710071；2.渭南師范學院 陜西 渭南 714099）

隨著科學技術的發展，MP3這一產品的技術越來越成熟，MP3現在以外形精致小巧，功能的的多樣性，且抗震省電等特點得到了廣大消費者的喜愛，且MP3歌曲可以隨時自由下載，更是將MP3的使用達到極大的普及，豐富了人們的文化生活[1]。

系統采用TI公司新推出的Cortex M3系列微控制器LM3S9B96。該芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為80 MHz。完全滿足音頻文件的讀取、解碼、播放等功能[2]。改進了市場中流行的MP3由于播放文件格式單一、人機界面的單調的缺陷。

1 系統總體設計

系統總體設計如圖1所示，以TI公司的微處理器LM3S9B96為控制核心，通過讀取SD卡*.mp3、*.wma、*.wav等格式的音頻文件，然后通過音頻解碼芯片VSl003實現解碼，最后通過外部音頻功放完成放大，推動揚聲器工作。LCD觸摸屏主要完成所播放歌曲名稱的顯示和人機交互功能。系統由ARM微處理器控制核心、音頻解碼模塊、功率放大模塊、SD卡存儲模塊、人機交互模塊等組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

2 硬件系統設計

2.1 Cortex M3 LM3S9B96微處理器

LM3S9B96是TI公司最新推出的基于ARMv7體系架構的處理器核，主要實現對SD卡音頻格式文件的讀取、然后將音頻文件發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移植及應用軟件的執行均是通過該處理器來完成。

2.2 音頻編解碼器及與控制器的硬件連接

音頻解碼芯片VS1003采用芬蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA音頻解碼芯片，其內部集成一個高性能低功耗的DSP處理器核，來實現將SD卡里的音頻數據流讀出并進行解析、轉化成模擬信號輸出[3]。同時，微控制器通過SPI接口發出命令控制字實現對VS1003芯片的功能控制，如初始化、暫停、音量控制、播放時間的讀取等。其與LM3S9B96的硬件連接連接如圖2所示。

圖2 LM3S9B96與VSl003的簡化電路圖Fig.2 Simplified circuit of LM3S9B96 and VSl003

2.3 SD卡與微控制器LM3S9B96的硬件連接

系統中SD卡通過SPI接口與LM3S9B96進行連接，其主要實現MP3音頻文件的存儲，其電路連接如圖3所示。

圖3 LM3S9B96與SD卡的連接圖Fig.3 Connection diagram LM3S9B96 and SD card

2.4 觸摸屏模塊功能與微控制器LM3S9B96的硬件連接

LCD觸摸屏采用SSD1298驅動控制器和ADS7843觸摸屏控制芯片實現LCD的顯示和觸摸功能。其顯示功能主要包括：MP3文件名的顯示、歌詞顯示功能及一些附助信息，主要完成人機對話。觸摸屏控制芯片ADS7843 LCD觸摸屏和LM3S9B96的電路連接，如圖4所示。

圖4 ADS7843與LCD觸摸屏的連接圖Fig.4 Connection diagram ADS7843 and LCD touch screen

2.5 LCD觸摸屏與μC/GUI

μC/GUI是一種嵌入式應用中的圖形支持系統。其適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實顯示或虛擬顯示。為了方便對LCD觸摸屏的控制，在LCD中繪制各種窗口，做出友好的人機互動界面，方便客戶的操作，在μC/GUI中提供了內存管理、視窗管理器、各種常用的控件、字體管理、文本輸出、圖形繪制等功能，開發者借助輔助開發工具很容易生成用戶所需要的圖形界面，大大縮短了開發時間[4]。，其運行界面如圖5所示。

圖5 系統運行界面Fig.5 System operation interface

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為三部分。

1）μC/OS－II操作系統。μC/OS－II是一個支持多任務的操作系統，本次設計將創建3個任務，觸摸屏任務、圖形界面任務和音樂播放任務，系統移植的μC/OS－II來實現任務的調度、任務切換和信號量處理。

2）μC/GUI圖形用戶接口，μC/GUI是一種嵌入式應用中的圖形支持系統，本設計中用移植了μC/GUI來實現音頻播放器的操作界面。

3）數據存儲方面，播放MP3時，系統采用FatFs文件系統讀取存儲在SD卡中的MP3數據[5]。

3.1 μC/OS-II操作系統

μC/OS－II是嵌入微處理器的操作系統，它是實時操作系統，具有任務管理，文件管理，設備管理的底層支持。μC/OS－II具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，最小內核可編譯至 2 KB，它適用于多種微處理器，微控制器和數字處理芯片，已經移植到了幾乎所有知名的CPU上[6]。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編譯器能產生可重入代碼。

2）處理器支持中斷，并且能產生定時中斷（通常在10～100 Hz之間）。

3）用C語言就可以開關中斷。

4）處理器支持能夠容納一定量數據（可能是幾千字節）的硬件堆棧。

5）處理器有將堆棧指針和其它CPU寄存器讀出和存儲到堆棧或內存中的指令。

本系統主要是將μC/OS－II移植處理器上需要修改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。移植包括以下幾步：

1）用#define設置一個常量的值 （OS_CPU.H）

2）聲明10個數據類型 （OS_CPU.H）

3）用 #define聲明 3個宏 （OS_CPU.H）

4）用C語言編寫6個簡單的函數 （OS_CPU_C.C）

5）編寫4個匯編語言函數 （OS_CPU_A.ASM）

3.2 μC/GUI的移植

對于μC/GUI圖形系統應用不管什么目標系統，大部分的圖形應用開發系統都可以在模擬器下運行，但最終的目的還是要在目標系統上運行。因此在移植?C/GUI的時候，目標系統必須具備如下幾點：

1）CPU（8/16/32/64 位）

2）必要的RAM和ROM存儲

3）LCD顯示器（任何類型及分辯率的）

本次移植過程分為以下幾個步驟進行：

LCDConfig.h

#define LCD_XSIZE （320） //X像素

#define LCD_YSIZE （240） //Y 像素

#define LCD_BITSPERPIXEL （16） //總線寬度

#define LCD_FIXEDPALETTE （565） //TFT格式

#define LCD_SWAP_RB （1） //支持紅藍交換

#define LCD_INIT_CONTROLLER（）LCD240x320_Init（void）//LCD 初始化

GUIConfig.h

#define GUI_OS （1） //多任務支持

#define GUI_SUPPORT_TOUCH （1） //支持觸摸屏

#define GUI_SUPPORT_UNICODE （1） //UNICODE支持

#define GUI_DEFAULT_FONT &GUI_Font6x8 //默認字體

#define GUI_WINSUPPORT （1） //支持窗口操作

#define GUI_SUPPORT_MEMDEV （1） //Memory devices支持

修改 LCDDriver中 C文 件，實現LCD_L0_Init（）初始化、CD_L0_Set_PixelIndex（）畫點、 LCD_L0_Get_PixelIndex（）讀取點值、LCD_On（）、LCD_Off（）[7]。

3.3 FatFs文件系統

FatFs是一個通用的文件系統模塊，是由AISI C語言編寫并完全獨立于底層的I/O介質，因此不依賴于硬件平臺。另外，它的內存開銷很小，ROM的占有量只有十余KB。

由于FatFs完全與磁盤I/O層分開，因此底層磁盤I/O需要下列函數去讀/寫物理磁盤以及此磁盤及獲取當前時間[8]。

1）初始化磁盤驅動器 DSTATUS disk_initialize（BYTE Drive）

2）獲取當前磁盤狀態函數DSTATUSdisk_status（BYTE Drive）

3）從磁盤驅動器中讀扇區函數DSTATUSdisk_read（BYTE Drive，BYTE*Buffer，DWORD SectorNnmber，BYTE SectorCount）

4）向磁盤驅動器中寫入扇區DSTATUS disk_write（BYTE Drive， BYTE*Buffer， DWORD SectorNnmber， BYTE Sector Count）

5）控制設備特定的功能以及磁盤讀寫以外的功能函數DRESULT disk_ioctl（）

6）獲取當前時間函數 DWORD get_fattime（）

以上是軟件設計三部分的介紹，軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 軟件系統流程圖Fig.6 Flow chart of software system

4 結 論

本設計使用LM3S9B96微處理器作為控制器，以觸摸屏作為顯示和控制設備。控制器讀取SD卡中的歌曲文件，使用VS1003音頻解碼芯片進行解碼并播放。設計整體操作簡單、實現優質的音樂播放，系統還可添加其它功能，如歌詞的同步顯示等。

[1]肖雪峰，肖伸平，彭瓊林，等.基于嵌入式操作系統的數字音頻播放器優化控制[J].計算技術與自動化，2013，32（1）:117-120.XIAO Xue-feng，XIAO Shen-ping，PENG Qiong-lin.Digital audio player optimization control based on embedded operation system[J].Computing Technology and Automation，2013，32（1）:117-120.

[2]趙寧，陳明，何鵬舉.嵌入式操作系統?C/OS-II在ARM上的移植與應用[J].計測技術，2004（4）:29-31.ZHAO Ning，CHEN Ming.HE Peng-ju.Transplantation and Application of Embedded OS/OS-II in ARM[J].Metrology&Measurement Technology，2004（4）:29-31.

[3]姜波.從APRA到PARC:恩格巴特和GUI的發展史[J].科學學研究，2005，23（1）:29-35.JIANGBo.From ARPA to PARC:Douglas Engelbart and the historical development of GUI[J].Studies in Science of Science，2005，23（1）:29-35.

[4]桑楠.嵌入式系統原理及應用開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004:4-8.

[5]徐寶國，宋愛國.基于UCOS和UCGUI的嵌入式數字示波器[J].測控技術，2007，26（7）:7-8.XU Bao-guo，SONG Ai-guo.Embedded digital storage oscilloscope based on UCOS and UCGUI[J].Measurement Control Technology，2007，26（7）:7-8.

[6]史萌萌，江海洋.μC/GUI在嵌入式測控系統中的移植與應用[J].微計算機信息，2007， 11（2）:22-24.SHI Meng-meng，JIANG Hai-yang.The porting and application of uC/GUI to embedded measurement and control system[J].Microcomputer Information，2007，11（2）:22-24.

[7]張繼柯，谷青范.基于Flash的嵌入式文件系統設計與實現[J].工業控制計算機，2011，24（4）:84-86.ZHANG Ji-ke，GU Qing-fan.Design and Implementation of embedded file system based on flash memory[J].Industrial Control Computer，2011，24（4）:84-86.

[8]李世奇，董浩斌.基于FatFs文件系統的SD卡存儲器設計[J].測控技術，2011，30（12）:70-81.LI Shi-qi，DONG Hao-bin.Design of SD memory card based on FatFs file system[J].Measurement Control Technology，2011，30（12）:70-81.