基于MAP的嵌入式MP3播放器設計與實(shí)現
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摘要： 多媒體應用處理器簡(jiǎn)稱(chēng)MAP，是一種適用于便攜式數字音視頻設備的新型嵌入式應用處理器。文中介紹了MAP的主要性能特點(diǎn)，給出了基于MAP芯片ATJ2135的嵌入式MP3播放器的硬件設計、MP3解碼流程、實(shí)時(shí)操作系統設計、系統軟硬件調試過(guò)程等嵌入式系統設計與實(shí)現。
關(guān)鍵字： 多媒體應用處理器 嵌入式MP3 全軟件模式
1 引 言
采用 MPEG 標準Layer3算法進(jìn)行壓縮處理后的文件統稱(chēng)為MP3文件，能夠對MP3文件進(jìn)行解碼并還原聲音的系統都可以被稱(chēng)為MP3播放器。作為消費類(lèi)電子產(chǎn)品的代表，MP3不斷增長(cháng)的消費要求也促使生產(chǎn)廠(chǎng)家采用更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高自己產(chǎn)品的競爭力。針對MP3 、MP4以及智能手機上的數字音視頻應用，SOC芯片廠(chǎng)商如國外的SIGMATEL、國內的珠海炬力集成電路公司均推出了基于MAP的解決方案。
MAP，即Multimedia application processors,是多媒體應用處理器的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是在低功耗CPU的基礎上擴展音視頻功能和專(zhuān)用接口的超大規模SOC集成電路，是一種新型的嵌入式應用處理器。MAP的主要應用領(lǐng)域是便攜式消費類(lèi)電子。MAP要求低功耗，體積微小，并具備盡可能高的性能。因此，許多微電子和IT領(lǐng)域的最新技術(shù)均用到了MAP中。例如用90和45納米工藝提高速度和集成度，并采用前后臺工作的雙核和多核CPU和DSP提升性能。
MAP分為全軟件模式與全硬件模式兩種。全軟件模式采用嵌入式中央處理器加數字信號處理器，即CPU+DSP。MAP中的嵌入式CPU作為一個(gè)通用的硬件平臺，運行一個(gè)通用的操作系統。MAP中的嵌入式DSP是另一個(gè)核心器件，它的任務(wù)是完成復雜的高速信息處理。全硬件模式則采用的是CPU+ASIC，由專(zhuān)用集成電路完成音視頻解碼功能。
下面給出基于珠海炬力公司的全軟件模式專(zhuān)用SOC多媒體應用處理器芯片ATJ2135的用于一款智能玩具的MP3播放器嵌入式系統設計與實(shí)現方案。
2 MP3系統硬件設計
播放器核心是炬力的ATJ2135芯片，主要組成包括電源單元、顯示單元、鍵盤(pán)輸入電路、FM收音機單元、外部存儲器、功放及揚聲器單元等。系統總體框圖如圖1。主控MAP中的嵌入式DSP對MP3文件進(jìn)行音頻解碼，解碼后的序列經(jīng)MAP中DAC輸出至功放及揚聲器或耳機。
圖1 嵌入式MP3系統總體結構
主控MAP中的嵌入式CPU運行實(shí)時(shí)操作系統管理包括鍵盤(pán)與LCD、文件系統、FM模塊，并實(shí)現MP3的數據管理、娛樂(lè )游戲、通信等功能。
ATJ2135是真正理想的“一片解決”SOC數字多媒體處理芯片，為用戶(hù)提供了一個(gè)非常靈活而且價(jià)格適宜的嵌入式音頻解決方案。選用32位RISC 的MIPS核，并集成24位嵌入式DSP，構成雙核結構。其中DSP用于音頻解碼算法，CPU用于播放器的操作系統。ATJ2135還集成了時(shí)鐘、內部存儲器BROM，以及SDRAM、鍵盤(pán)和YUV2RGB顯示接口，ADC、DAC、電源管理PMU、紅外接口等外圍控制組件。
2.2電源設計
合適的低功耗電源是便攜式系統關(guān)鍵設計之一。本硬件系統平常采用鋰離子充電電池供電。而在系統與外部PC機交換數據時(shí)，系統電源將采用USB供電模式，同時(shí)鋰電池將停止供電。所以電路應具有完成電源切換、穩壓及充放電等功能。由于元件工作在降壓模式，選用了XC62系列穩壓芯片XC6206P152M、XC6219B182MR和RCR3402等器件來(lái)實(shí)現。
2.3輸入輸出組件
為了適應MP3應用的特殊性，ATJ2135提供另外一種我們在其他嵌入式應用中很少見(jiàn)的鍵盤(pán)結構——A/D式線(xiàn)控鍵盤(pán)。這種鍵盤(pán)可以進(jìn)一步減少I(mǎi)/O口的使用數量.利用串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò )在不同的按鍵按下時(shí)輸出不同的電壓值，然后進(jìn)行A/D轉換求出其對應的數字量，從而根據軟件設定確定是哪一個(gè)按鍵按下。為了減小誤差和提高軟件識別率，分壓電阻應采用誤差范圍為1%的高精度電阻，軟件可以設定適當寬的范圍來(lái)區分每一個(gè)按鍵值。ATJ2135內部提供一個(gè)4位低分辨率A/D轉換器，可以很方便的配置成線(xiàn)控按鍵模式。
由于A(yíng)TJ2135芯片沒(méi)有自帶 LCD Controller ，因此需要選用帶 LCD Controller 的 LCD （液晶屏）。本系統選擇KGM281E0作為液晶顯示屏。KGM281E0是一個(gè)240xRGBx320點(diǎn)陣TFT-LCD顯示模塊，它可以配置為16位或18位并行數據輸入方式，可支持視頻播放，顯示效果非常出色。顯示屏的背光驅動(dòng)需要較高的電壓，并且要求根據需要調節背光的亮度，因此就需要一個(gè)高效的升壓電路來(lái)實(shí)現這一功能，為此ATJ2135提供了一個(gè)背光控制,它可以按照軟件的設定值輸出8種不同頻率的脈沖，通過(guò)改變輸出頻率值來(lái)改變背光亮度。
2.4系統存儲器
本播放器采用一塊512 M NAND FLASH作為片上存儲單元，寫(xiě)入速度較快，具有良好的抗震能力，體積、重量較小，尤其適合便攜式系統的要求。另外本系統還集成了SD卡插槽以方便用戶(hù)升級存儲空間。Flash芯片采用Hynix的HY27UT084G NAND Flash Memory，其工作電壓為１.8或3.3伏。而為了提高系統運行速度，適應視頻播放及游戲時(shí)的數據處理，還擴展有外部SDRAM存儲芯片。存儲器接口方式采三總線(xiàn)連接方式。
3 系統軟件設計
3.1 MP3解碼流程
圖2 MP3解碼流程圖
MP3采用了較為復雜的比特流結構，所有MPEG的比特流都被分割成了單獨的幀。對于MPEG圖2音頻，每秒都傳送固定數目的幀，也就是說(shuō)，當比特率和采樣率固定時(shí)，每一幀具有相同的大小，并攜帶有相同數目的樣本。解碼算法由嵌入式DSP軟件實(shí)現，流程如圖2所示。
3.2嵌入式實(shí)時(shí)操作系統設計
ATJ2135采用μCOS-Ⅱ操作系統進(jìn)行軟件移植設計。μCOS-Ⅱ是一個(gè)源代碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，具有小內核、多任務(wù)、豐富的系統服務(wù)、容易使用等特點(diǎn)并且非常穩定、可靠。而由于其極小的內核，就特別適用于對程序代碼存儲空間要求極其敏感的嵌入式MP3應用系統開(kāi)發(fā)。本系統采用可剝奪型多任務(wù)內核，其任務(wù)層設計及任務(wù)流程如圖3所示。
3.3 嵌入式系統軟件編譯與調試
系統所采用ATJ2135的嵌入式開(kāi)發(fā)工具為cygwin。cygwin軟件是cygnus solution公司開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)在Windows平臺運行的Unix模擬環(huán)境。其中，USDK13O 提供最主要的調試手段。它需要在調試的代碼段添加打印語(yǔ)句，而運行則是觀(guān)察超級終端上的打印輸出，以此來(lái)診斷程序是否符合設計邏輯。通過(guò)打印輸出來(lái)調試程序是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的調試手段。它可以在不打斷系統運行的情況下獲知其運行過(guò)程。超級終端提供日志功能，只要點(diǎn)擊傳送菜單下的捕獲文字項，然后設置日志所在的目錄，這樣輸出的所有信息都將記錄在日志文件中，便于后續的分析和查找。當程序存在設計或編碼的缺陷時(shí)，系統運行會(huì )崩潰，并在終端輸出異常信息。此時(shí)可以將異常出現的地址比對 USDK130 提供的空間分配表來(lái)查找導致異常的
圖3 任務(wù)層結構及任務(wù)流程圖
模塊，然后可以找到該模塊對應的 IST 文件來(lái)定位錯誤所在的位置，從而完成調試過(guò)程。
3.4固件生成
軟件編譯和調試完成后，會(huì )生成一些*.app應用程序和*.drv驅動(dòng)文件，應該將這些文件打包，生成后綴為fwu的固件文件，借助于量產(chǎn)工具下載到嵌入式Mp3裸機上。
4 系統調試
由于嵌入式MP3對信號要求較高，在布線(xiàn)時(shí)要充分考慮外界信號的干擾，因此將PCB采用四層板。PCB 板的布局按照功能模塊分區，把模擬信號與數字電路及噪聲源部分（如 DC-DC 等）合理地分開(kāi)，使相互間的信號耦合為最小，盡量減少相互之間的交叉。電源走線(xiàn)應盡量做到由小電流到大電流最后到供電電源的負極（地）和正極處。電源走線(xiàn)應注意線(xiàn)徑，信號線(xiàn)從起點(diǎn)到終點(diǎn)應保持同一線(xiàn)寬，不要有粗細變化。
在整機電流正常的情況下，測量關(guān)鍵點(diǎn)電壓，一切正常后才可將樣機接電腦。若電路正常，PC操作系統應該會(huì )提示發(fā)現新的硬件設備，此時(shí)用量產(chǎn)工具打開(kāi)固件文件將固件下載到系統中，然后對各個(gè)功能進(jìn)行逐個(gè)測試，對發(fā)現的問(wèn)題加以糾正。
5 結束語(yǔ)
本文給出了基于多媒體應用處理器SOC芯片ATJ2135實(shí)現MP3播放器的嵌入式應用。該MP3被用于一款智能玩具中，表現出了強大的功能與優(yōu)異的性能。ATJ2135的全軟件工作模式使得該MP3播放器只需將嵌入式DSP執行的音頻解碼算法調整為視音頻解碼算法就可以迅速變身為MP4，而不需要改動(dòng)硬件結構。而針對實(shí)時(shí)操作系統的改動(dòng)也是同樣的。這樣就為屬于消費類(lèi)電子的便攜式數字音視頻設備快速升級換代以適應市場(chǎng)需求變化提供了保證。本款產(chǎn)品已于07年投入生產(chǎn)并產(chǎn)生經(jīng)濟效益約一百萬(wàn)元。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：
通過(guò)嵌入式MP3播放器的MAP應用設計實(shí)踐可以表明嵌入式MP3設計比較好的結構是采用CPU＋DSP，即在MAP的嵌入式CPU上安裝實(shí)時(shí)操作系統運行應用程序并處理用戶(hù)數據，利用嵌入式DSP中的軟件算法對付各類(lèi)格式繁雜的視音頻信號，可以獲得強大的性能并能很容易進(jìn)行產(chǎn)品的升級換代。
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