基于Cortex M3的音頻播放器的設計

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，MP3這一產(chǎn)品的技術(shù)越來(lái)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(diǎn)得到了廣大消費者的喜愛(ài)，且MP3歌曲可以隨時(shí)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。

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(mǎn)足音頻文件的讀取、解碼、播放等功能。改進(jìn)了市場(chǎng)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(guò)讀取SD卡*.mp3、*.wma、*.wav等格式的音頻文件，然后通過(guò)音頻解碼芯片VS1003實(shí)現解碼，最后通過(guò)外部音頻功放完成放大，推動(dòng)揚聲器工作。LCD觸摸屏主要完成所播放歌曲名稱(chēng)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。

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A(yíng)RMv7體系架構的處理器核，主要實(shí)現對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移植及應用軟件的執行均是通過(guò)該處理器來(lái)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(gè)高性能低功耗的DSP處理器核，來(lái)實(shí)現將SD卡里的音頻數據流讀出并進(jìn)行解析、轉化成模擬信號輸出。同時(shí)，微控制器通過(guò)SPI接口發(fā)出命令控制字實(shí)現對VS1003芯片的功能控制，如初始化、暫停、音量控制、播放時(shí)間的讀取等。其與LM3S9B96的硬件連接連接如圖2所示。

2.3 SD卡與微控制器LM3S9B96的硬件連接

系統中SD卡通過(guò)SPI接口與LM3S9B96進(jìn)行連接，其主要實(shí)現MP3音頻文件的存儲，其電路連接如圖3所示。

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(dòng)控制器和ADS7843觸摸屏控制芯片實(shí)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(huà)。觸摸屏控制芯片ADS7843 LCD觸摸屏和LM3S9B96的電路連接、如圖4所示。

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(shí)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(dòng)界面，方便客戶(hù)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(kāi)發(fā)者借助輔助開(kāi)發(fā)工具很容易生成用戶(hù)所需要的圖形界面，大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

其運行界面如圖5所示。

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(gè)支持多任務(wù)的操作系統，本次設計將創(chuàng )建3個(gè)任務(wù)，觸摸屏任務(wù)、圖形界面任務(wù)和音樂(lè )播放任務(wù)，系統移植的μC/OS—II來(lái)實(shí)現任務(wù)的調度、任務(wù)切換和信號量處理。

2)μC/GUI圖形用戶(hù)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(lái)實(shí)現音頻播放器的操作界面。

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

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(shí)時(shí)操作系統，具有任務(wù)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(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)，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(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU上。要使μC/OS-Ⅱ能正常運行，處理器必須滿(mǎn)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(shí)中斷(通常在10～100 Hz之間)。

3)用C語(yǔ)言就可以開(kāi)關(guān)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?；騼却嬷械闹噶?。

本系統主要是將μC/OS—II移植處理器上需要修改3個(gè)ARM體系結構相關(guān)的文件：OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C進(jìn)行了操作。移植包括以下幾步：

1)用#define設置一個(gè)常量的值 (OS_CPU.H)

2)聲明10個(gè)數據類(lèi)型 (OS_CPU.H)

3)用#define聲明3個(gè)宏 (OS_CPU.H)

4)用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單的函數 (OS_CPU_C.C)

5)編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)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(kāi)發(fā)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(shí)候，目標系統必須具備如下幾點(diǎn)：

1)CPU(8/16/32/64位)

2)必要的RAM和ROM存儲

3)LCD顯示器(任何類(lèi)型及分辯率的)

本次移植過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：