DIY你自己的多功能掌上娛樂(lè )終端，附詳細軟硬件方案設計

一、項目概述

1.1 引言

1.1.1項目背景

21世紀信息化時(shí)代的到來(lái)，大量的消費類(lèi)電子產(chǎn)品正在改變著(zhù)人們的生活?？梢噪S時(shí)隨地的欣賞音樂(lè )、收看電視、閱讀電子書(shū)籍、通過(guò)藍牙共享文件等等。目前來(lái)看，消費電子已經(jīng)成為全球半導體發(fā)展的主要推動(dòng)力。近年來(lái)隨著(zhù)微處理器技術(shù)、DSP技術(shù)、多媒體解碼技術(shù)以及單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，掌上娛樂(lè )終端已經(jīng)成為消費類(lèi)電子的熱點(diǎn)。

1.1.2發(fā)展前景

隨著(zhù)掌上娛樂(lè )終端的不斷發(fā)展，它的產(chǎn)品也越來(lái)越豐富，功能也越來(lái)越完善，囊括了媒體播放、游戲、電子閱讀、資源共享等，并逐步趨于網(wǎng)絡(luò )化、智能化方向發(fā)展，集多功能于一身的掌上娛樂(lè )終端以其便于攜帶、支持多媒體播放、文件共享、GUI美觀(guān)方便的全方位的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，擁有廣闊的發(fā)展前景。

1.2 選題動(dòng)機/研究意義

現今階段，電子信息產(chǎn)業(yè)在我國有了快速的發(fā)展，然而相比于西方發(fā)達國家仍有不小的差距。從目前的市場(chǎng)現狀中，MP3、MP4、PDA等形式的娛樂(lè )終端的高端地位一直被國外的企業(yè)所壟斷，例如谷歌、蘋(píng)果、三星、索尼等，國內企業(yè)和這些龍頭企業(yè)相比差距比較大，所生產(chǎn)的產(chǎn)品難以博得廣大消費者的支持，然而國外的電子產(chǎn)品相比于國內產(chǎn)品價(jià)格昂貴很多，消費者的消費需求與產(chǎn)品價(jià)格的矛盾日益明顯。

另一方面，盡管MP3、MP4等設備已經(jīng)日益發(fā)展成熟，但大多數只能實(shí)現單一或者少量的功能。例如MP3多數只能實(shí)現音樂(lè )播放功能。隨著(zhù)現代信息化方向的發(fā)展，人們的娛樂(lè )需求將會(huì )越來(lái)越廣泛，單一的娛樂(lè )功能將難于滿(mǎn)足人們的娛樂(lè )生活。多功能的掌上娛樂(lè )終端是一種便攜式的數碼設備，集結了廣大功能于一體，能隨時(shí)隨地、全方位的滿(mǎn)足人們的生活娛樂(lè )需要，同時(shí)又有簡(jiǎn)易便攜，GUI人機界面友好等優(yōu)點(diǎn)。選擇多功能掌上娛樂(lè )終端為課題，對于改變我國電子信息娛樂(lè )產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后現狀，完善消費類(lèi)數字化產(chǎn)品，滿(mǎn)足人們的娛樂(lè )需求具有重大研究意義。

二、需求分析

2.1 功能要求

2.1.1 概述

本系統基于EVK1105平臺開(kāi)發(fā)，實(shí)現多功能的掌上娛樂(lè )嵌入式系統。所謂嵌入式系統，就是利用有限的硬件資源，構建一個(gè)功能完善的系統。所以，本系統擯棄嵌入式Linux系統，而是基于uC/OS-II實(shí)時(shí)內核，構建一個(gè)GUI框架，并在uC/OS-II、驅動(dòng)層、FAT32文件系統、GUI框架之上構建應用層程序。在本系統中，GUI框架并不采用uCGUI，MiniGUI等成熟的GUI框架，而是采用自定制的微型GUI框架。因為uCGUI、MiniGUI消耗比較多的內存，而且窗口是類(lèi)PC風(fēng)格，不符合本系統的需求。

應用層程序可以分為以下10大應用：1.音樂(lè )播放2.圖片播放3.電子書(shū)閱讀4.FM收音機5.語(yǔ)音錄音

6.游戲7. U盤(pán)自動(dòng)播放8. PC無(wú)線(xiàn)觸摸板 9. 電量顯示 10.智能背光調節

2.1.2音樂(lè )播放

概述：播放MP3等音頻文件。

功能：

1. 播放、暫?？刂?/p>

2. 上一曲、下一曲切換

3. 音量控制

4. 播放模式選擇：正常順序播放、全部循環(huán)、單曲循環(huán)、隨機播放、

5. 播放進(jìn)度、音量顯示

6. 歌詞同步顯示

7. 顯示歌曲的基本信息：標題、專(zhuān)輯、演唱者等信息

2.1.3 圖片播放

概述：支持BMP、JPEG等主流圖片格式。

功能：

1. 圖片目錄瀏覽

2. 圖片瀏覽器

3. 圖片縮放功能

4. 幻燈片播放

5. 設置幻燈片切換時(shí)間間隔

6. 支持圖片分辨率自適應屏幕

2.1.4 電子書(shū)閱讀

概述：支持TXT格式文本閱讀

功能：

1. 目錄瀏覽

2. 上一頁(yè)、下一頁(yè)切換

3. 設置書(shū)簽

4. 設置字體顏色和背景色

5. 自動(dòng)翻頁(yè)

6. 設置自動(dòng)翻頁(yè)時(shí)間間隔

2.1.5 FM收音機

概述：支持FM收聽(tīng)

功能：

1. 自動(dòng)搜臺

2. 記憶電臺

2.1.6 語(yǔ)音錄音

功能：

1. 語(yǔ)音錄音、錄音時(shí)長(cháng)取決于存儲介質(zhì)的大小

2. 錄音時(shí)間顯示

2.1.7 游戲

功能：俄羅斯方塊、貪吃蛇等小游戲

2.1.8 U盤(pán)自動(dòng)播放

功能：（1）：插入SD卡或者U盤(pán)后，可以根據用戶(hù)的選擇來(lái)自動(dòng)播放音樂(lè )或者圖片

（2）：音樂(lè )、圖片播放默認為順序播放

2.1.9 PC無(wú)線(xiàn)觸摸板

功能：通過(guò)拓展觸摸板，對觸摸板的觸摸來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)控制PC的鼠標， 達到控制整個(gè)PC的功能。

2.1.10 電量顯示

功能：（1）：精確顯示電池電量，仿真電池顯示，顯示剩余電池電量可以支持的音樂(lè )時(shí)間、電子閱讀時(shí)間、待機時(shí)間。

（2）：當電量不足時(shí)會(huì )有窗口提示，提示三次未及時(shí)充電或更換電池會(huì )自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機狀態(tài)。

2.1.11智能背光調節

功能：（1）：利用傳感器檢測外部光照條件，若是明亮度高則自動(dòng)降低LCD背光，減少功耗；若是明亮度過(guò)低，則自動(dòng)升高LCD背光，增強視覺(jué)效果。

（2）：若超過(guò)10秒未操作LCD則屏幕變暗，進(jìn)入省電模式，減少功耗。

2.2 系統框圖

圖1 系統架構

三、方案設計

3.1系統功能實(shí)現原理

3.1.1前提條件：移植uC/OS-II內核、建立FAT32文件系統、建立GUI框架、建立系統字庫和文件瀏覽器

因為我們的應用都是基于實(shí)時(shí)系統實(shí)現的，所以在建立應用之前就應該搭建好一個(gè)運行的操作系統環(huán)境，并配備好應用程序運行所要支持的文件系統、GUI框架、字庫、文件瀏覽器等基本功能模塊。

1. uC/OS-II內核是一個(gè)基于優(yōu)先級搶占式的，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統內核、具有效率高、消耗內存資源小、反應速度快、可靠性高等優(yōu)良特點(diǎn)，而且大部分代碼用c實(shí)現，便于移植，是一個(gè)適合于小型嵌入式系統的實(shí)時(shí)內核。對于本系統的移植，只要修改幾處關(guān)鍵代碼就行了。

2. FAT32文件系統是目前最為流行的文件系統之一，幾乎所的便捷存儲設備，如U盤(pán)，SD卡、microSD卡、miniSD卡都是基于FAT32文件系統；而且在嵌入式產(chǎn)品中，如數碼相機、MP3、MP4、數碼相框等產(chǎn)品中，也是基于FAT32文件系統的。所以為了最大的兼容性和普遍性，我們也采用了FAT32文件系統來(lái)作為我們的文件系統。對于FAT32文件系統的構建，本系統采用了開(kāi)源的FatFs的FAT32文件系統驅動(dòng)庫。文件系統建立成功之后，就可以方便地對SD卡、U盤(pán)里面的文件進(jìn)行操作。

3. GUI框架為自主開(kāi)發(fā)，是基于消息循環(huán)事件驅動(dòng)型的GUI框架。下面有圖表詳細說(shuō)明。

4. 系統字庫是一個(gè)嵌入式系統的核心之一，所有的文字信息都要經(jīng)過(guò)它的處理才能顯示出來(lái)。這里我們采用了內建字庫的技術(shù)，即把字庫文件（包括中文字庫和英文字庫）燒寫(xiě)在Flash里面。其中對文字的顯示首先要進(jìn)行內碼轉換，取得在字庫里面的偏移，然后把字模提取出來(lái)并顯示在LCD上。

5. 文件瀏覽器是一個(gè)基于GUI框架、文件系統和字庫的應用程序，它通過(guò)讀取存儲介質(zhì)的文件，并把文件信息形成列表在LCD顯示出來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)選擇鍵來(lái)選擇要查看的文件。以下所引用到的目錄文件瀏覽就是基于文件瀏覽器的。

3.1.2系統硬件結構框圖

系統硬件模塊

PC遙控接收端硬件模塊

3.1.3 音樂(lè )播放

1. 首先搜索SD卡、或者U盤(pán)里面所有音頻文件，然后創(chuàng )建一個(gè)音樂(lè )播放列表

2. 讀取播放列表中的音頻文件，并通過(guò)GUI的API調用顯示在LCD上，用戶(hù)可以選擇喜歡的歌曲

3. 選定歌曲后，按PLAY鍵開(kāi)始播放音樂(lè )，播放由一個(gè)獨立的線(xiàn)程來(lái)處理，讀取音頻文件的數據，通過(guò)軟件解碼將解碼后的數據流送到DAC，并通過(guò)音頻功放輸出音頻。播放中的控制信息、信息反饋、播放進(jìn)度和狀態(tài)顯示都通過(guò)消息來(lái)觸發(fā)。

4. 當一首歌播放完后，根據當前的播放模式，用獲取下一首歌曲，然后進(jìn)行下一曲的解碼流程。

3.1.4 圖片播放

1. 目錄文件瀏覽：通過(guò)讀取SD卡、或者U盤(pán)的圖片文件，把相應的文件名字及其它基本信息形成一個(gè)列表在LCD上顯示出來(lái)。通過(guò)選擇圖片并通過(guò)相應格式的文件解碼并在LCD顯示出來(lái)。

2. 可以選擇上一張、下一張來(lái)顯示圖片，并可以進(jìn)行縮放。其中縮放的功能，我們采用frame buffer的技術(shù)。我們在內存中創(chuàng )建一個(gè)比屏幕分辨率大的顯存緩沖區域，并通過(guò)對顯存緩沖區域的局部顯示就可以實(shí)現圖片的放大功能；對于圖片縮小的功能，我們可以采用對顯存緩沖區的減取樣算法顯示就可以實(shí)現圖片的縮小。

3. 幻燈片播放：通過(guò)讀取SD卡、或者U盤(pán)的圖片文件，形成一個(gè)文件列表，然后按照播放模式來(lái)自動(dòng)播放圖片，相當于數碼相框。

4. 圖片播放流程：

3.1.5 電子書(shū)閱讀

1. 目錄文件瀏覽：通過(guò)讀取SD卡或者U盤(pán)里面的TXT文本文件，把文件及其基本信息形成一個(gè)列表在LCD顯示出來(lái)。

2. 電子書(shū)閱讀流程：

3.1.6 FM收音機

1. FM收音機模塊采用Philips的FM收音芯片TEA5767HN。它是一款低功耗立體聲的FM收音芯片，具有高靈敏度、支持兩個(gè)頻段87.5MHz-108MHz和76MHz-91MHz，RF AGC自動(dòng)增益控制， 內部集成FM解調器，I2C總線(xiàn)3線(xiàn)總線(xiàn)模塊可選擇等優(yōu)良特點(diǎn)。

2. 首先初始化TEA5767HN芯片，然后通過(guò)可以通過(guò)自動(dòng)搜臺找到頻道收聽(tīng)節目。

3. LCD顯示界面有當前頻道的頻率、音量等信息

4.可以收藏頻道，方便下次收聽(tīng)。

5. M收音機工作流程：

1. 語(yǔ)音錄音

2. 系統采用的是PCM編碼和解碼系統實(shí)現功能。Pcm是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化。編碼的過(guò)程a.對錄音輸入的模擬信號先抽樣。抽樣，就是對模擬信號進(jìn)行周期性?huà)呙?，把時(shí)間上連續的信號變成時(shí)間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過(guò)抽樣后包含原信號中所有信息，能無(wú)失真的恢復原模擬信號。抽樣速率采用8Kbit/s。b.量化，就是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來(lái)表示。 c. 編碼，用一組二進(jìn)制碼組來(lái)表示每一個(gè)有固定電平的量化值

3. 通過(guò)按鍵1，開(kāi)始錄音，按鍵2，結束錄音并播放所錄的語(yǔ)音。播放結束后，可以繼續錄入下一段語(yǔ)音。流程圖如下：

1. 游戲

1、菜單提示選擇貪吃蛇或者俄羅斯方塊游戲。

2、貪吃蛇：上下左右方向鍵控制貪吃蛇游動(dòng)，不要撞到墻、不要碰到自己身體，身體長(cháng)到25段過(guò)關(guān)。每過(guò)一關(guān)貪吃蛇的移動(dòng)速度加快，難度增加。貪吃蛇撞到墻或者自己時(shí)，出現死亡，顯示成績(jì)并提示是否繼續游戲。

3、俄羅斯方塊：預先設置的隨機發(fā)生器不斷地輸出單個(gè)方塊到場(chǎng)地頂部，以一定的規則進(jìn)行移動(dòng)、旋轉、下落和擺放，鎖定并填充到場(chǎng)地中

鍵盤(pán) [ 左、右 ] 用來(lái)控制落下磚塊的左右移動(dòng)

鍵盤(pán) [ 下 ] 用來(lái)控制磚塊加速下落

鍵盤(pán) [ 上 ] 用來(lái)控制磚塊變形

鍵盤(pán) [中] 用來(lái)控制磚塊直接落到底

每次擺放如果將場(chǎng)地的一行或多行完全填滿(mǎn)，則組成這些行的所有小正方形將被消除，并且以此來(lái)?yè)Q取一定的積分或者其他形式的獎勵。而未被消除的方塊會(huì )一直累積，并對后來(lái)的方塊擺放造成各種影響。如果未被消除的方塊堆放的高度超過(guò)場(chǎng)地所規定的最大高度則出現死亡，顯示成績(jì)并提示是否繼續游戲。。

4、游戲流程圖如下：

3.1.9 U盤(pán)自動(dòng)播放

利用USB控制器的OTG的功能，結合FAT32文件系統來(lái)實(shí)現對U盤(pán)的操作。

1. 當插入U盤(pán)后，根據用戶(hù)的選擇來(lái)自動(dòng)播放圖片或者音樂(lè )。

2. U盤(pán)自動(dòng)播放流程圖：

3.1.10 PC無(wú)線(xiàn)觸摸板

1. 系統外部拓展一塊電阻式觸摸板和2.4G發(fā)送模塊，PC端通過(guò)USB接口連上2.4G接收模塊，可以通過(guò)觸摸板來(lái)控制PC上的鼠標，實(shí)現無(wú)線(xiàn)觸摸板的功能。方便控制電腦。

2. 工作流程：

3.1.11 電量顯示

原理：通過(guò)測量流入流出電池的凈電荷來(lái)估算電池剩余的容量。對流入流出的電池的總量電流進(jìn)行積分，得到的凈電荷即為剩余容量。電池容量可以預置，也可惜在后續的完整充電周期中進(jìn)行學(xué)習。在補償電池自放電、不同溫度下的容量變化等因素后，也可以獲得比較高的精度。

電路如下：

其中Rsns為mΩ級檢流電阻，RL為負載電阻，電池通過(guò)開(kāi)關(guān)、Rsns對RL放電時(shí)的電流Io在Rsns兩端產(chǎn)生的壓降為Vs(t)=Io(t)*Rsns。電量計持續檢測Rsns兩端的壓差Vs，并將其通過(guò)ADC 轉化為N位的數字量Current，之后以時(shí)基確定的速率進(jìn)行累加，M位累加結果Accumulated_Current的單位為Vh。

3.1.12 智能背光調節

原理：通過(guò)光敏傳感器來(lái)感知外部光線(xiàn)的強度，然后通過(guò)PWM來(lái)調節LCD顯示的背光。如果環(huán)境的光線(xiàn)比較強，則減少PWM的占空比來(lái)減小LCD的背光，以達到不必要的電池電量浪費。如果環(huán)境的光線(xiàn)比較暗，則通過(guò)增加PWM的占空比來(lái)增大LCD的背。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用：

本系統采用EVK1105開(kāi)發(fā)平臺，結合本平臺的特點(diǎn)，我們充分利用了平臺的LCD顯示器、高保真音頻DAC、麥克風(fēng)、SD卡接口、USB控制器等器件，主要開(kāi)發(fā)多媒體方面的應用。

資源配置：

SD卡：SPI接口

U盤(pán)：USB接口

麥克風(fēng)：ADC TLV320AIC23B

音頻輸出：DAC TPA6130A2RT

LCD：LCD控制和數據總線(xiàn)

FM模塊：I2C接口

按鍵：觸摸傳感器QT1081

數據存儲器：SDRAM MT48LC16M16A2

外部存儲器：Flash AT45DB642D-CNU

3.3系統軟件架構

所有的應用程序都基于GUI框架開(kāi)發(fā)，只要框架建立完成，就可以快速創(chuàng )建頂層應用程序。

基于消息循環(huán)的事件驅動(dòng)型GUI框架模型：

3.4 系統軟件流程

1. GUI框架消息循環(huán)流程：

消息循環(huán)流程圖

2. 系統流程圖：

程序運行流程圖