嵌入式網(wǎng)絡(luò )MP3設備的設計與應用

摘    要： 本文詳細介紹了一種基于S3C4510B ARM7處理器和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統的網(wǎng)絡(luò )MP3設備的設計原理和調試方法，分析了由這種設備構成的網(wǎng)絡(luò )MP3系統的體系結構和工作方式，指出了其在星級賓館、長(cháng)途巴士、旅客列車(chē)、語(yǔ)音會(huì )議等公共語(yǔ)音廣播領(lǐng)域的廣泛應用前景。
關(guān)鍵詞：ARM；MP3；S3C4510B；VxWorks；MAS3587F

網(wǎng)絡(luò )MP3概述
MP3主要是指MPEG1 layer3和MPEG2 layer3，最新的MPEG2.5 layer3則提供了更為高效的壓縮編碼方法。由于MP3提供了高保真、低碼率的語(yǔ)音數據，因此被廣泛應用于各種消費類(lèi)電子領(lǐng)域。典型的如：MP3隨身聽(tīng)、新型的車(chē)載音頻設備等。這些設備具有大容量的Flash存儲器(一般在32MB以上)和標準的外設接口，可以從計算機甚至Inetrnet上下載MP3音樂(lè )并進(jìn)行本地存儲和離線(xiàn)播放，能夠滿(mǎn)足個(gè)人應用需求。

網(wǎng)絡(luò )MP3設備開(kāi)發(fā)
本項目涉及的網(wǎng)絡(luò )MP3設備及應用系統有別于傳統的個(gè)人MP3設備。它具有標準100M以太網(wǎng)接口和紅外遙控接口，在實(shí)時(shí)軟件的控制下，能夠從以太網(wǎng)獲取MP3數據流，并且無(wú)需本地存儲而進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。在MP3編解碼芯片MAS3587F的配合下，能夠同時(shí)完成MP3流媒體的播放和對MIC輸入的MP3錄音功能。由多個(gè)網(wǎng)絡(luò )MP3設備構成的MP3系統有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )MP3服務(wù)器(也可以是嵌入式設備)，它用于存儲MP3數據庫并對整個(gè)系統進(jìn)行管理和控制。
功能指標要求及處理器選型
根據項目需求分析報告和項目任務(wù)書(shū)的要求，網(wǎng)絡(luò )MP3設備應滿(mǎn)足以下功能與指標要求。
音頻編碼和播放功能。主要包括：支持對輸入模擬音頻信號的MPEG1/2 layer3編碼；支持MPEG1/2/2.5 layer3壓縮位流的解碼；支持數字混音、數字音量和高低音調節。
遙控與播放管理功能。主要包括：支持紅外遙控器，遙控器接收端與網(wǎng)絡(luò )MP3設備采用RS-232接口；在服務(wù)器的控制下實(shí)現對MP3音頻數據流的控制；具有彈入彈出功能。
網(wǎng)絡(luò )功能。主要包括：基于TCP/IP協(xié)議的管理控制與數據交換；故障自動(dòng)偵測、告警與設備掛起；設備自動(dòng)檢測與識別；支持設備編碼；支持IP地址。
在性能與成本的雙重約束下，本設計進(jìn)行了處理器及實(shí)時(shí)軟件系統的選擇分析。對處理器而言，應具備100MHz以太網(wǎng)接口、UART以及I2C接口或可擴展相應的接口。傳統的單片機系統顯然不能滿(mǎn)足性能和實(shí)時(shí)性要求，而采用通用微處理器加以太網(wǎng)控制器的方式顯然會(huì )增加設備成本，因此決定采用網(wǎng)絡(luò )處理器。通過(guò)多方調研，選出兩種網(wǎng)絡(luò )處理器：Samsung ARM7處理器S3C4510B和Motorola PowerPC處理器MPC860T。兩者均具有片內100M以太網(wǎng)MAC。相比較而言，兩者性能相當，但Samsung ARM7處理器S3C4510B有著(zhù)非常顯著(zhù)的批量成本優(yōu)勢。而且由于A(yíng)RM處理器的廣泛使用，國內許多EDA開(kāi)發(fā)工具供應商也提供了性?xún)r(jià)比非常高的開(kāi)發(fā)工具解決方案，使得開(kāi)發(fā)成本也大幅度降低，因此本設計決定采用S3C4510B ARM處理器作為核心處理器。
在實(shí)時(shí)操作系統方面，由于網(wǎng)絡(luò )MP3設備的實(shí)時(shí)性要求較高，而且單個(gè)網(wǎng)絡(luò )MP3設備的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸效率對整個(gè)系統的設備容量有較大的影響，因此，需要采用硬實(shí)時(shí)操作系統作為軟件平臺。在第一階段采用VxWroks RTOS作為網(wǎng)絡(luò )MP3設備的軟件平臺。
網(wǎng)絡(luò )MP3設備設計原理
基于A(yíng)RM7的網(wǎng)絡(luò )處理器S3C4510B和硬實(shí)時(shí)操作系統VxWorks的網(wǎng)絡(luò )MP3設備結構組成框圖如圖1所示。
CPU是主頻為50MHz的S3C4510B ARM7微處理器，主要完成以太網(wǎng)管理控制和數據流的收發(fā)。將MP3音頻數據流送入解碼芯片MAS3587F進(jìn)行解碼和播放控制，通過(guò)MAS3587F獲取MP3編碼數，在系統主控服務(wù)器的控制下廣播數據流。另外，還通過(guò)RS-232接口接受遙控器命令并解釋執行。
MP3編解碼，尤其是MP3編碼(即MP3錄音)需要巨大的運算量，傳統的方法是由計算機軟件或專(zhuān)用DSP芯片實(shí)現，在本項目中由于S3C4510B是網(wǎng)絡(luò )處理器，其數字信號處理能力是相對薄弱環(huán)節，因此采用了單芯片MP3編解碼芯片MAS3587F來(lái)實(shí)現MP3的編解碼功能。
另外，網(wǎng)絡(luò )MP3設備內存采用16MB高速SDRAM HY57V281620，用于程序運行、數據空間和緩存；程序固化存儲器采用2MB Flash AM29LV160，該存儲器不僅可存儲如：MAC地址、IP地址非易失數據，還可用于預存部分MP3數據。紅外遙控器采用市場(chǎng)上大量流通的紅外收發(fā)管進(jìn)行設計。
以太網(wǎng)部分在A(yíng)RM7處理器S3C4510B內置100MHz以太網(wǎng)MAC的基礎上，采用了性?xún)r(jià)比非常高的RTL8201BL新型PHY，能夠自適應進(jìn)行10M/100Mbps網(wǎng)絡(luò )數據傳輸。
在這樣的設計框架下，單套網(wǎng)絡(luò )MP3設備的核心數字部分成本可以控制在200元左右，能夠適應絕大部分應用場(chǎng)合的低成本需求。
網(wǎng)絡(luò )MP3設備開(kāi)發(fā)調試
網(wǎng)絡(luò )MP3設備的開(kāi)發(fā)調試包括硬件平臺設計與調試和實(shí)時(shí)軟件設計與調試。
硬件平臺由PADS的PowerLogic及PowerPCB完成原理圖和PCB設計。硬件平臺裝配完畢后，利用Embest IDE for ARM 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和JTAG調試器編寫(xiě)測試程序，配合Tektronix 數字示波器對目標板上的各部分硬件設計進(jìn)行功能測試?；谌枪咎峁┑腟DNS100開(kāi)發(fā)板VxWorks BSP模板進(jìn)行針對網(wǎng)絡(luò )MP3目標板的BSP代碼編寫(xiě)和測試。在硬件設計過(guò)程中，還利用Xilinx公司的Foundation ISE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對板上的可編程邏輯器件XC9572XLVQ64進(jìn)行開(kāi)發(fā)，完成處理器外圍膠合邏輯的設計。
實(shí)時(shí)軟件系統的開(kāi)發(fā)主要由基于WindRiver公司的Tornado II for ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成。該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包含了VxWorks實(shí)時(shí)操作系統、ARM7編譯器、調試器和WindView等諸多代碼和任務(wù)分析工具，可以通過(guò)串口和以太網(wǎng)實(shí)現對目標板實(shí)時(shí)軟件系統的多種模式、全功能快速調試。
軟件系統開(kāi)發(fā)完成后，制作成Bootable VxWorks應用程序映像文件，通過(guò)Embest IDE和JTAG仿真器將映像文件固化到Flash中，即可脫離調試環(huán)境實(shí)時(shí)運行。

網(wǎng)絡(luò )MP3應用系統框架
網(wǎng)絡(luò )MP3設備只有在一個(gè)有中心服務(wù)器管理和控制下的系統中才能發(fā)揮最大效能。典型的網(wǎng)絡(luò )MP3應用系統框架如圖2所示。
網(wǎng)絡(luò )MP3應用系統的主體框架建立于組播網(wǎng)絡(luò )之上，在通常狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò )MP3服務(wù)器以廣播或組播的方式發(fā)送背景音樂(lè )或其它語(yǔ)音信息。網(wǎng)絡(luò )MP3終端設備可以根據用戶(hù)的請求發(fā)送點(diǎn)播請求，服務(wù)器響應點(diǎn)播請求后即建立一對一的點(diǎn)播通道。任一個(gè)網(wǎng)絡(luò )MP3終端設備(用戶(hù))均可發(fā)起MP3點(diǎn)播請求。能夠建立的點(diǎn)播通道數量取決于網(wǎng)絡(luò )帶寬和網(wǎng)絡(luò )延遲(在100M以太網(wǎng)條件下，系統在處理250個(gè)點(diǎn)播通道時(shí)約耗費30%的網(wǎng)絡(luò )帶寬資源)。當有重要通知或語(yǔ)音信息時(shí)，可建立插播通道，這個(gè)通道的優(yōu)先級高于任何一個(gè)廣播、組播或點(diǎn)播通道的優(yōu)先級，為無(wú)條件播放模式，可用于播放重要通知或事故告警等特殊用途。此外，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )MP3終端還可發(fā)起尋呼。即網(wǎng)絡(luò )MP3終端設備對MIC輸入信號進(jìn)行MP3編碼后廣播、組播或單播到其它網(wǎng)絡(luò )MP3終端，這項功能可用于語(yǔ)音會(huì )議討論或語(yǔ)音教室系統。
在上述網(wǎng)絡(luò )MP3應用系統框架體系結構下，網(wǎng)絡(luò )MP3網(wǎng)絡(luò )中主要存在這兩個(gè)邏輯通道：控制總線(xiàn)(CBUS)和數據總線(xiàn)(DBUS)?？刂瓶偩€(xiàn)主要傳遞各種管理和控制命令，而數據總線(xiàn)則主要傳輸音頻MP3數據流。典型的網(wǎng)絡(luò )MP3應用系統軟件框架如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò )MP3系統應用前景
網(wǎng)絡(luò )MP3系統可廣泛應用于星級賓館的客房音樂(lè )系統、長(cháng)途巴士、旅客列車(chē)以及語(yǔ)音會(huì )議和語(yǔ)音教室等公共語(yǔ)音廣播應用領(lǐng)域。典型的如星級賓館客房音樂(lè )系統的應用，這是一種全數字化的解決方案，可利用星級賓館現有的局域網(wǎng)信息接口，無(wú)需對現有線(xiàn)路進(jìn)行任何改造即可完成安裝。通過(guò)共享MP3音樂(lè )庫的方式，給入住客人提供多樣、優(yōu)質(zhì)的音樂(lè )享受。同時(shí)該設備還具有客房服務(wù)語(yǔ)音請求、客房通知以及意外情況(如火災)緊急疏散廣播等附加功能。在長(cháng)途巴士和旅客列車(chē)上，提供旅客MP3音樂(lè )定向點(diǎn)播服務(wù)也是一種全新的富有前景的服務(wù)內容。此外，由于網(wǎng)絡(luò )MP3具有對語(yǔ)音信號的實(shí)時(shí)MP3編碼功能，而且，它具有體積小、成本低、可靠性高、具備網(wǎng)絡(luò )接入功能等諸多優(yōu)點(diǎn)，比傳統的計算機軟件編碼或計算機插卡MP3錄音方式有顯著(zhù)的優(yōu)勢，因此，該設備也可應用于廣電系統中專(zhuān)業(yè)的MP3錄音應用領(lǐng)域。

結語(yǔ)
網(wǎng)絡(luò )MP3設備開(kāi)發(fā)完成后，首先在某酒店客房音樂(lè )系統中得到實(shí)際工程應用并獲得了用戶(hù)的好評。同時(shí)我們研制的、適合于長(cháng)途巴士的嵌入式網(wǎng)絡(luò )MP3系統車(chē)載服務(wù)器也投入了工程使用。相信隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )MP3設備及系統工程化過(guò)程的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò )MP3將應用于越來(lái)越多的消費領(lǐng)域，并將產(chǎn)生積極的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益?！?/p>

參考文獻
1 S3C4510B User’s Manual. Samsung Inc, 2001
2 VxWorks Programmer’s Guide. WindRiver Inc, 2002
3 徐欣. 網(wǎng)絡(luò )MP3設備軟硬件詳細設計報告. 國防科技大學(xué). 2003
4 姜志宏. 網(wǎng)絡(luò )MP3系統軟件詳細設計報告. 國防科技大學(xué). 2003