基于嵌入式文件庫的嵌入式MP3播放器設(shè)計(jì)

0 引言

近幾年來，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，人們對MP3播放器的要求越來越多元化，制造商在MP3播放器的選型、設(shè)計(jì)、開發(fā)、附加功能和適用領(lǐng)域等方面做了很多努力，設(shè)計(jì)了多種方案。在處理器速度越來越快、存儲(chǔ)容量越來越大的趨勢下，產(chǎn)品中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織形式和存儲(chǔ)器設(shè)置需要進(jìn)行高效合理管理，這正是文件系統(tǒng)的功能。

而開源軟件項(xiàng)目嵌入式文件庫（Embedded FlieSystemLibrary,EFSL），依靠其內(nèi)存需求小、移植簡單、完全免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，作為嵌入式文件系統(tǒng)，很適于解決小型單片機(jī)存儲(chǔ)空間管理與功能擴(kuò)展的問題。本文基于EFSL文件系統(tǒng)以及ARM 平臺(tái)設(shè)計(jì)一款新型的嵌入式MP3播放器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)為單片機(jī)擺脫操作系統(tǒng)束縛，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)多媒體應(yīng)用提供一種可行性參考方案。

1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)硬件系統(tǒng)以PHILIPS公司ARM7-TMDI內(nèi)核的LPC2148為核心處理器，分別控制VS1003解碼模塊、SD卡接口模塊、USB接口模塊和人機(jī)交互功能模塊。

圖1 MP3播放器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控芯片

LPC2148是支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S 微控制器，內(nèi)嵌512 KB 高速FLASH存儲(chǔ)器，因其功能強(qiáng)大，便于系統(tǒng)以后的升級。

本系統(tǒng)中暫時(shí)只用到USB,SPI,SSP接口功能和ADC功能，其他功能的使用待擴(kuò)展而定。解碼模塊VS1003內(nèi)部集成有VS_DSP處理器、立體聲音頻DAC和立體聲耳機(jī)放大驅(qū)動(dòng)器等。由于解碼與控制芯片分離，所以音質(zhì)好，控制也比較簡單。LPC2148通過其SPI接口對VS1003進(jìn)行控制。

1.2 顯示模塊

顯示模塊采用VGS12864E,VGS12864E是128×64行點(diǎn)陣的OLED單色、字符、圖形顯示模塊。模塊內(nèi)置64×64的顯示數(shù)據(jù)RAM,其中的每位數(shù)據(jù)對應(yīng)于OLED屏上一個(gè)點(diǎn)的亮、暗狀態(tài)；其指令系統(tǒng)與液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器HD61202兼容。本系統(tǒng)通過模擬時(shí)序的方式用8位I/O口與OLED模塊8位數(shù)據(jù)總線D0~D7相連，再通過3位I/O口與液晶的指令控制或數(shù)據(jù)操作位RS、讀寫控制位R/W 和使能控制位E相連的方式來控制OLED模塊。

1.3 存儲(chǔ)模塊

采用SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是容量大、體積小且防振。歌曲全部存儲(chǔ)在SD卡中，SD卡工作于SPI模式。通過將LPC2148的SSP設(shè)置成SPI功能與SD卡相連接。同時(shí)，芯片的其他兩個(gè)I/O 口分別設(shè)置成卡完全插入到卡座中檢測引腳和卡是否寫保護(hù)的檢測引腳。

2 軟件設(shè)計(jì)

播放器采用四層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其功能。軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用模塊化的主要目的是方便實(shí)現(xiàn)模塊移植性。

圖2 播放軟件層次結(jié)構(gòu)

2.1 開發(fā)環(huán)境搭建

開發(fā)環(huán)境主要是建立在The Rowley Cross StudioIDE基礎(chǔ)上進(jìn)行EFSL 編譯。CrossWorks for ARM1.6 使用GCC 4.1 編譯器。安裝CrossWorks forARM 1.6軟件并導(dǎo)入MP3Player.hzp項(xiàng)目文件。項(xiàng)目文件中已經(jīng)包含了主板中的文件和設(shè)備配置文件。

Rowley Cross Studio IDE自動(dòng)加載所有文件后，將顯示所有主要文件夾：Audio Render Driver文件夾（包含了DAC音頻處理相關(guān)代碼）、Demo Player文件夾（主要模塊，可根據(jù)需求對其進(jìn)行配置和修改）、EFSL文件夾（保存了EFSL嵌入式文件系統(tǒng)，通過此文件系統(tǒng)可以用播放器軟件對MMC存儲(chǔ)卡中的MP3文件進(jìn)行讀寫操作）、EFSL Driver文件夾（保存存儲(chǔ)設(shè)備基本讀寫操作驅(qū)動(dòng)程序）、Libmad文件夾（主要編碼文件，可根據(jù)需求改變相關(guān)代碼以滿足Libmad配置要求）。

2.2 文件系統(tǒng)配置與編譯功能模塊

文件系統(tǒng)配置與編譯功能模塊進(jìn)行軟件配置和文件系統(tǒng)編譯。

2.2.1 設(shè)置項(xiàng)目文件路徑

通過命令行工具，找到項(xiàng)目文件和包含文件。其路徑為：

在ARM Flash Release和ARM Flash調(diào)試選項(xiàng)窗口的預(yù)處理選項(xiàng)卡配置文件中添加MP3Player項(xiàng)目。

2.2.2 配置編譯器

由于定點(diǎn)數(shù)字計(jì)算量要求非常高，而且擴(kuò)展的數(shù)字指令集只能在32位上運(yùn)行，所以代碼編譯也需要32位環(huán)境下進(jìn)行編譯，同時(shí)需要使用到USB存儲(chǔ)器RAM 及其堆棧分配[5].USB RAM 一般情況下不運(yùn)行在LPC214X環(huán)境下，但Rowley Cross Studio IDE已經(jīng)提供了此硬件設(shè)備的初始化。Philips_LPC2148_startup.s創(chuàng)建并放置在MP3播放器項(xiàng)目目錄，以支持USB RAM設(shè)備，還需要在代碼中加入堆棧分配代碼到USB DMARAM 的內(nèi)存部分。

2.2.3 Libmad文件配置

Libmad可以在不同的平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)庫，并為ARM7提供更好的優(yōu)化。其編譯器同樣需要設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境變量。

2.2.4 配置EFS文件

存放在。MP3Playerefslinc目錄下的debug.h文件支持半主機(jī)調(diào)試功能。通過相關(guān)代碼可以設(shè)置所有調(diào)試消息并通過JTAG調(diào)試器的I/O終端窗口進(jìn)行顯示。通過。MP3Playerefslconf下的config.h配置文件，可以設(shè)置RAM 內(nèi)存使用水平和緩沖區(qū)大小。

2.2.5 配置系統(tǒng)文件

由于文件初始化需要良好的LPC2148運(yùn)行環(huán)境，需要把LPC2148提高到最大性能（60Hz），同時(shí)需要開啟PLL功能，設(shè)置IRQ 中斷管理定時(shí)器為0和VPB分頻器為1.同時(shí)Philips_LPC2148_Startup.s必須包括相關(guān)預(yù)處理編譯指令。要在IDE中設(shè)置編譯器指令，只需要在項(xiàng)目瀏覽器窗口選擇Philips_LPC2148_Startup.s的文件，然后選擇預(yù)處理選項(xiàng)卡，并填寫預(yù)處理器定義此屬性。

2.2.6 編譯批處理文件

要進(jìn)行編譯批處理文件，需要具備兩個(gè)文件，一個(gè)是項(xiàng)目文件MP3Player,一個(gè)是針對ARM 的RowleyCross Studio文件Rowley Associates Limited.Cross-Works for ARM 1.6文件中有可以自行批處理文件：

build_all_debug.bat,build_all_release.bat.

3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先初始化硬件模塊。由LPC2148讀取SD卡的一些基本信息，如容量、扇區(qū)大小、FAT表及根目錄所在的啟始扇區(qū)等。通過獲得這些信息后，就可以找出SD卡是否有可以播放的音樂文件。若有音樂文件，微處理器將通過SPI總線方式讀出該文件的音頻信息，并將歌曲的碼流信息送入到VS1003芯片中，通過VS1003芯片解碼以及其內(nèi)含的高質(zhì)量的立體DAC和耳機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)MP3歌曲的播放功能，軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)流程圖

4 調(diào) 試

Main.c文件（源代碼略）顯示MP3播放器的工作過程。init_IO（）函數(shù)LPC2148定時(shí)器0進(jìn)行初始化，使之產(chǎn)生周期性的中斷，并啟動(dòng)了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。周期性中斷速率要與解碼器數(shù)據(jù)流一樣，然后由efs_init（efs,″″）進(jìn)行MP3文件調(diào)用，若找不到文件則會(huì)通過JTAG interface 接口向CrossStudio IDE 傳入Could not open filesystem參數(shù)，否則正常顯示文件信息。其文件處理結(jié)果顯示如圖4所示。通過調(diào)試顯示信息可知能正常顯示文件信息。另經(jīng)過實(shí)物制作并測試，此MP3播放器能流暢播放SD 卡中的MP3文件，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)是正確可行的。

圖4 調(diào)試終端顯示信息

5 結(jié)語

本文基于開源軟件項(xiàng)目EFSL設(shè)計(jì)了一款MP3播放器，介紹了播放器系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)以及EFSL相關(guān)碼源移植和修改。通過CrossWorks for ARM 1.6軟件調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。整個(gè)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了EFSL碼源移植簡單、配置方便的優(yōu)點(diǎn)。