基于LPC2214和uC/OS-II的音頻處理方案

目前流行的ARM芯片內核有ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM992T、ARM940T、ARM946T、ARM966T和ARM10TDMI等，Philips LPC2214是基于A(yíng)RM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器，它集成了Thumb擴展指令集，256KB可在系統中編程的片內Flash和可在應用中編程的16位KB RAM，向量中斷控制器，外部總線(xiàn)控制器，2個(gè)UART，I2C串行接口，2個(gè)SPI串行接口，2個(gè)定時(shí)器（7個(gè)捕獲/比較通道），可提供多達6個(gè)PWM輸出的PWM單元，8通道10位ADC，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，看門(mén)狗定時(shí)器以及112個(gè)通用I/O引腳，通過(guò)可編程的片內鎖相環(huán)（PLL）可實(shí)現LPC2214最高為60MHz的CPU時(shí)鐘頻率，相對眾多ARM系列產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，Philips公司生產(chǎn)的LPC2214是一款性?xún)r(jià)比較高的ARM7芯片。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統有助于提高系統可靠性和開(kāi)發(fā)效率，且能夠充分發(fā)揮32位CPU的多任務(wù)處理能力，常見(jiàn)的嵌入式操作系統有Linux、Windows CE、VxWorks、Nucleus、uC/OS-II等，其中uC/OS-II是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)操作系統，其周邊的配套產(chǎn)品也比較完善，如uC/FS，uC/GUI等產(chǎn)品都為其應用增強了適用性，相對其他操作系統而言，uC/OS-II正常運行只需十幾或幾十KB的Flash空間和SRAM空間，并且其所需的授權費用也相對較低，結合以L(fǎng)PC2214為核心的硬件平臺，在這里采用了uC/OS-II作為該設備的嵌入式操作系統。

有上述分析可知，選擇LPC2214和uC/OS-II相結合的嵌入式平臺是一種較為經(jīng)濟而實(shí)用的方法。

2 音頻解碼芯片的選擇

LPC2214與uC/OS-II相結合的平臺有比較強大的處理能力，但在許多應用場(chǎng)合中仍顯不足，在本文所介紹的應用中，系統需要具有音頻編解碼功能，音頻的編解碼方式包括軟件編解碼和硬件編解碼，如果采用軟件編解碼的方式，最對處理器的處理速度要求一般在50MIPS以上，而LPC2214的處理速度僅有70MIPS左右，顯然倘若采用這種方式，LPC2214處理能力將受到很大限制，所以，采用專(zhuān)門(mén)的音頻處理芯片來(lái)處理音頻數據對該平臺的來(lái)說(shuō)是個(gè)正確的選擇，這里選用一款性能優(yōu)越的音頻解碼芯片--VS1003。

VS1003音頻解碼芯片為VS10XX系列的第三代產(chǎn)品，是芬蘭VLSI Solution Oy公司生產(chǎn)的單片MP3/WMA/MIDI解碼和ADPCM編碼芯片，它內部包含一個(gè)高性能、低功耗的DSP處理核（VSDSP），一個(gè)工作內存，一片可供用戶(hù)程序使用的5.5KB RAM，一個(gè)串行SPI總線(xiàn)接口，一個(gè)高質(zhì)量的采樣頻率可調的過(guò)采樣DAC以及一個(gè)16位的采樣ADC，VS1003的內部構造如圖1所示。

3 VS1003控制協(xié)議的實(shí)現

VS1003通過(guò)一個(gè)工作于從模式的SPI串行總線(xiàn)與主機進(jìn)行數據和控制信息的交流，音頻數據通過(guò)串行數據接口（SDI）傳送，控制數據則通過(guò)串行控制接口（SCI）來(lái)傳送，控制數據總是為16位，通過(guò)讀/寫(xiě)不同的寄存器來(lái)實(shí)現對VS1003的控制。

VS1003的SPI接口具有兩種工作模式：VS1002新模式和VS1001兼容模式。設置SM_SDINEW為1，使VS1003處于VS1002新模式。當SMSDISHARED為0時(shí)，控制信號和數據信號的傳送分別采用xCS和xDCS作為同步信號，而當SMSDISHARED為1時(shí)，共用xCS作為同步信號，設置SM_SDINEW為0，使VS1003處于VS1001兼容模式，該模式僅以xCS作用同步信號。

作為從機工作模式，VS1003通過(guò)一個(gè)信號線(xiàn)DREQ指示是否允許主機傳送數據，當DREQ為高時(shí)，VS1003至少可以接受32KB的SDI數據或者SCI控制命令。

在這里，以VS1002新模式且SMSDISHARED設置為0為例介紹VS1003通信協(xié)議的實(shí)現。圖2描述了SDI工作時(shí)序，它以xDCS為同步信號，隨著(zhù)時(shí)鐘信號DCLK的變化，數據根據SCL_MODE的設置依次從高位或低位送出。

SCI協(xié)議包括1個(gè)控制指令字節、1個(gè)地址字節和1個(gè)16位數據字。每次讀寫(xiě)控制可以操作一個(gè)寄存器。讀命令和寫(xiě)命令分別為0x03和0x02，這兩種控制命令的工作時(shí)序分別如圖3和圖4所示。 

4 電路設計

本設計最終要實(shí)現的目標是一款具有人機界面及數據存儲功能的工控手持設備，通過(guò)人機對話(huà)界面發(fā)送控制命令來(lái)操縱VS1003，以實(shí)現錄放音功能。

4.1 硬件電路設計

VS1003的所有數據和控制命令均通過(guò)SPI總線(xiàn)接口實(shí)現，因此與LPC2214的接口實(shí)現比較簡(jiǎn)單，包括3條SPI數據線(xiàn)和4條控制線(xiàn)，如圖5所示。

4.2 軟件設計

VS1003的控制軟件設計，是在系統成功地移植了uC/OS-II操作系統以及ZLGFS文件系統的條件下進(jìn)行的，具體軟件設計中，首先對LPC2214與VS1003控制接口的幾個(gè)功能引腳進(jìn)行相應的配置，然后使能SPI并設置其工作模式，此后，利用uC/OS-II多任務(wù)的特點(diǎn)，建立一個(gè)專(zhuān)門(mén)的任務(wù)用于實(shí)現系統的錄放音功能，在該任務(wù)創(chuàng )建完畢后，首先完成對VS1003的初始化工作，然后任務(wù)進(jìn)入等待循環(huán)中，等待系統發(fā)出相應的控制指令，當該任務(wù)接收到錄音指令時(shí)，調用相應的錄音功能函數啟動(dòng)錄音功能，并將錄音數據寫(xiě)入指定的文件時(shí)，當接收到播放功能指令時(shí)，調用播放功能函數，播放指定的音頻文件，當接收到中斷指令時(shí)，將退出錄放音功能，任務(wù)回到循環(huán)等待中，該任務(wù)的具體實(shí)現函數如下：

5 總結

采用VS1003實(shí)現基于LPC2214和uC/OS- II的嵌入式平臺的音頻編解碼的功能，接口電路簡(jiǎn)單，控制程序易于編寫(xiě)，且最終音頻播放清晰、自然，當然在具體設計中也曾遇到一些需要注意的問(wèn)題，例如要成功對VS1003進(jìn)行初始化，必須詳細了解VS1003得配置時(shí)序要求，特別要注意的是，對不同寄存器配置完成，其等待處理周期有所不同，若等待周期不夠，則將使得配置無(wú)法正常完成。