音樂播放器的設計與實現(xiàn)

1、第一章 緒 論1.1背景隨著電子技術的飛速發(fā)展，嵌入式設備在各領域的應用越來越廣泛，復雜度也越來越高，對其他開發(fā)方法也提出了更多的要求和更大的挑戰(zhàn)。在嵌入式設備系統(tǒng)開發(fā)過程中需要將軟件應用與操作系統(tǒng)編譯連接成一個整體，然后下載到目標機上運行，所以，嵌入式設備的開發(fā)過程是一個復雜的過程。MP3作為高質量音樂壓縮標準，給音頻產業(yè)帶來了具大的沖擊。MP3技術使音樂數(shù)據壓縮比率大，回放質量高。如CD格式的音樂數(shù)據壓縮成MP3格式，音效相差無己，但大小至少可壓縮12倍。由于MP3音樂的較小數(shù)據量和近乎完美的播放效果使其在網絡上傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。1995年，MP3格式的音樂文件剛在網絡上傳播時，主要用Wina

2、mp等播放軟件進行播放，使MP3音樂無法脫離計算機進行播放，給音樂欣賞帶來了不便。近幾年以來，隨著MP3播放器的出現(xiàn)及其技術的發(fā)展，人們對MP3播放器的要求越來越高，制造商在MP3播放器的選型、設計、開發(fā)、附加功能和適用領域等方面做了很多努力，設計了多種方案。本設計主要是利用ARM技術設計一款新型的MP3播放器。ARM9是ARM公司的16/32位RSIC處理器，是適用于普通設備的一種高性價比的微控制器。本設計采用的MCU是三星公司推出的ARM9芯片S3C2440，具有低價格、低功耗、高性能、超小體積等特點主要適用于中高端場合，目前在嵌入式系統(tǒng)中正得到日益廣泛的應用。S3C2440主頻高達400

3、M，片上集成了豐富的資源：如IIS（Inter-IC sound）總線與DMA控制器，為與數(shù)模轉換器（DAC）的連接提供了一種理想的解決方案。MP3播放器的設計比較復雜且對處理器的要求較高，因而MP3播放器必須仔細設計以降低成本。本設計是在ARM9平臺上設計、實現(xiàn)一個MP3播放器。第二章 系統(tǒng)總體方案2.1 系統(tǒng)功能本設計提出了一種基于嵌入式ARM處理器硬件平臺的MP3播放器設計方法。此播放器采用ARM體系結構中的ARM9作為系統(tǒng)控制器，利用外圍設備USB通用串行接口下載MP3歌曲，用flashcard存貯MP3文件。主要對MP3做了各個方面的功能分析，對硬件設計、軟件設計、軟件實現(xiàn)、系統(tǒng)編譯

4、等方面做了介紹。系統(tǒng)的主要部分是音頻編碼與解碼，這是系統(tǒng)設計的核心。MP3播放器設計的突出問題就是硬件控制和軟件控制，另外還有硬盤控制、鍵盤控制、液晶顯示，這些控制都是基于一塊芯片。基于ARM9的MP3播放器設計的軟件體系結構采用分層模式，它包括軟件層、硬件層、驅動層、操作系統(tǒng)層、及MP3播放器應用層。主要實現(xiàn)歌曲的播放。2.2 設計指標1、MP3工作電壓為具有3.3V左右，電流250mA,具有音頻解碼和播放功能。2、通過USB接口與大容量外部存儲設備進行數(shù)據傳輸，能實現(xiàn)網絡播放與下載、觸摸屏輸入功能。3. 操作界面統(tǒng)一管理功能，支持mp3格式、wma格式，該MP3播放器除具有播放音樂外還附有

5、歌詞同步等功能。4、MP3在不充電的情況下待機2小時。2.3 系統(tǒng)總體結構設計嵌入式微處理器采用三星公司生產的ARM9處理器S3C2440，處理器采用ARM9處理器，它具有小體積、低功耗、低成本、高性能的特點是嵌入式微處理器的理想選擇。同時，ARM9處理器可以運行嵌入式操作系統(tǒng)，處理速度足夠軟件解碼，擴充性好，是目前理想的解決方案。本設計的系統(tǒng)總體結構如圖2.1。三星公司推出的基于ARM9內核32位RISC嵌入式微處理器S3C2440，最高可運行在200MHz。該芯片的功能強大，完全能夠滿足MP3定點或浮點解碼程序的實現(xiàn)，還能夠將Linux操作系統(tǒng)移植進入該芯片，實現(xiàn)包括播放MP3在內的多進程

6、，多任務處理，是一種理想的解決方案。圖2.1 系統(tǒng)總體結構圖第三章 硬件詳細設計方案3.1 硬件設計說明系統(tǒng)設計的硬件部分主要包括電源、ARM微處理器芯片、存儲芯片、USB接口芯片以及音頻芯片等?？蓺w結為兩個部分：(1) 微處理器S3C2440，及其外圍電路，具體包括復位電路，存儲模塊（包括FLASH、RAM和ROM）、電源。(2)系統(tǒng)的外圍部分：音頻接口、UART、USB接口、帶觸摸屏的LCD、調試及下載接口。音頻編解碼可以采用PHILIPS的UCB1400等芯片。LCD可以采用320X240的TFT液晶顯示器，電源則宜用可充電鋰電池。 圖3.1 硬件系統(tǒng)結構圖如上圖3.1可知，在

7、此次設計中，MP3主要組成部分是：CPU、MP3解碼部分、音頻放大器、FLASH 存儲器及SDRAM存儲器。我們所設計的MP3播放器以微處理器S3C244O為中心，包括外部存儲器、串口UART、音頻接口、帶觸摸屏的LCD、USB接口、復位電路、調試及下載接口。解碼部分由軟件完成。整個播放器整體控制。此MP3播放器的核心是三星公司的S3C2440芯片。系統(tǒng)可以分為核心部分、音頻編解碼部分、音頻輸出、液晶控制等幾個部分，此外還有必不可少的電源管理等部分。音頻編解碼可以采用PHILIPS公司的UCB1400芯片。LCD可以采用試驗箱上的TFT LCD顯示器。硬件設計部分主要是S3C2440與UCB1

8、400芯片的連接。具體的模塊說明如下。3.2 處理器模塊S3C2440S3C2440是三星公司生產的基于arm920T內核的RISC微處理器，其主頻可達203MHz，適用于信息家電、PDA、手持設備、移動終端等領域。S3C2440除具備一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM控制器和3個串口等外設之外，還具有TFT LCD控制器、USBSlave、USB Host、I2C總線控制器、SPI控制器、IIS音頻接口、SD&MMC存儲卡接口等豐富的擴展功能、AD轉換器，有GPIO（通用IO口），還有nandflash控制器，這些東西都有一些寄存器來控制。芯片工作電壓3.3/1.8 V，最高運行

9、速度可達200 MHz。由于它是一款專為手持設備設計的低功耗處理器因此可以降低手持設備成本，具有較高的性價比。該芯片是基于ARM9而開發(fā)的多功能SOC(signal operation contro1)。ARM9是一種小型、快速、低能耗、集成式的內核 。它的功能和特性如下：具有較高的處理速度，通過內部鎖相環(huán)，最高可在203 MHz的系統(tǒng)時鐘下運行；具有極低的功耗其核心供電電壓為18 V，外圍I/O口使用33 V電壓；具有3種低功耗控制方式，甚至可關閉CPU中除喚醒邏輯外的所有功能，極大地降低了功耗；與其他arm器件相比，S3C2410片上集成了更多的外設接口，如外部存儲控制器、LCD，DMA，

10、USBl1，SD，M。MC卡控制器、UART，SPI接口、I2C總線控制器和I2S總線控制器、I2S音頻接口、PWM定時器、看門狗、117個外部I/O口、24個外部中斷源、A/D轉換器和觸摸屏接口、實時時鐘及片上PLL的時鐘產生等。使用集成接口，有利于功能的擴展。3.3 存儲模塊存儲模塊由一片64 MB的SDRAM和兩片16 MB的Flash組成，可為系統(tǒng)提供足夠的存儲空間。Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。與Flash存儲器相比，SDRAM不具有掉電保持數(shù)據的特性，但存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫特性。因此系統(tǒng)中SDRAM主要用作程序的運行空間、

11、數(shù)據及堆棧區(qū)。3.4 音頻解碼/編碼模塊決定MP3音質的關鍵是主控解碼器件中的數(shù)模轉換器(DAC)單元和耳機功率放大器單元。DAC負責把解碼的數(shù)字音頻流轉換成可驅動耳機發(fā)音的模擬音頻信號；耳機放大器則可把模擬音頻信號放大到可驅動耳機的功率。該系統(tǒng)音頻解碼/編碼模塊采用PHILIPS公司的UCB1400芯片，UCB1400的外部接口共有48個管腳，大部分都提供AC Link、中斷、音頻、ADC、觸屏、功率和其它接口。其接口電路圖如圖3所示。UCB1400是一種用于音頻處理的20位立體聲解碼/編碼器。它在一個芯片上集成了音頻解碼/編碼功能、一個觸屏控制器和功率管理接口。10個通用管腳可進行可編程輸

12、入/輸出，使得主機控制器可執(zhí)行控制功能和監(jiān)控運行狀態(tài)。在此次設計中，UCB1400主要的作用是音頻編解碼器與觸摸屏控制器，還有就是對電源管理進行監(jiān)控。S3C2440可通過IIC音頻接口與UCB1400連接。圖3.2 音頻模塊流程3.5 網絡模塊S3C2440自身并沒有網絡控制器，接入以太網時需增加獨立的以太網控制器，在此選用DM9000作為以太網控制器。該器件具有通用的處理器接口、10M/100M自適應、4K雙字節(jié)靜態(tài)存取存儲器、低功耗、高處理性能，可支持3.3-5V的容差。3.6 帶觸摸屏的LCD模塊顯示MP3播放控制界面，通過觸摸屏實現(xiàn)對播放和暫停，停止，音量遞增，音量遞減等功能的控制。L

13、CD可以采用試驗箱上的320*240的TFT液晶顯示器。3.7 USB接口模塊USB接口模塊是連接U盤等存儲設備為MP3播放器提供歌曲來源。本設計中，主機是通過主控制器與USB設備進行數(shù)據傳輸?shù)模琔SB主控制器采用USB2.0標準和開放式主機控制器接口標準，可支持高速和低速的USB設備，具備內置的MCU和內部緩存，與CPU之間有一個靜態(tài)存儲器的接口。CPU通過這個接口進行讀寫來完成USB協(xié)議要求的控制和數(shù)據收發(fā)功能。USB主控制器提供一系列的寄存器，系統(tǒng)通過對這些寄存器可以實現(xiàn)對USB主控制器的控制。3.8串口電路此MP3提供一個串口，用來調試硬件和軟件。Max232用來轉換電平。UART用于

14、開發(fā)調試控制和返回調試信息。3.9系統(tǒng)復位電路系統(tǒng)時鐘輸入由24.576MHz的外部晶振提供，而微處理器內核的工作頻率為66MHz，S3C2440內部含有PLL電路實現(xiàn)倍頻，因此，系統(tǒng)由內部PLL電路倍頻至66MHz，供給CPU運行。系統(tǒng)復位信號由IMP811T芯片提供，并且設計了RESET按鈕，可以在系統(tǒng)運行過程中隨時復位操作，便于系統(tǒng)調試。3.10電源模塊系統(tǒng)電源由XC6206P332MR芯片提供，宜用可充電鋰電池。第四章 系統(tǒng)軟件設計方案總體上來說，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、驅動程序及播放器應用程序3部分。4.1 軟件總體設計在此次設計中，MP3播放器的軟件體系結構采用分層模式，它包括硬件層

15、、驅動層、操作系統(tǒng)層及MP3播放器應用層等，軟件體系結構圖如下所示4.1。圖4.1 MP3播放器的軟件體系結構圖從軟件角度看，嵌入式Linux操作系統(tǒng)分為引導加載程序、內核、文件系統(tǒng)及用戶應用程序4部分。其一用于完成初始化RAM，初始化串口、設置Linux啟動參數(shù)、調用Linux內核映像等功能；其二為特定于具體硬件的定制內核以及控制內核引導系統(tǒng)的參數(shù)；其三為含根目錄文件的系統(tǒng)建立Flash存儲器設備的文件系統(tǒng)；其四為特定于用戶的應用程序，即為播放程序。軟件的核心是Linux操作系統(tǒng)。首先需要設備驅動程序，包括USB、硬盤控制、音頻控制、LCD等等。然后是文件系統(tǒng)。該設計采用的是通用的FAT32

16、文件系統(tǒng)，在對Windows平臺有很好的兼容性。硬件層包括了MP3播放器所需的物理設備：USB接口、音頻接口芯片AC97、3.5英寸的TFT液晶屏等；設備驅動層包括上述各個設備的驅動程序的編寫；操作系統(tǒng)層我們移植了Linux26的操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來統(tǒng)一管理各個硬件設備；最上層是應用層，我們使用QT設計圖形用戶界面，通過移植開源的Madplay解碼器實現(xiàn)對MP3文件的解碼，播放、音量增減的控制。此MP3播放器軟件系統(tǒng)包括驅動程序、操作系統(tǒng)及MP3播放器應用程序3部分。4.2 操作系統(tǒng)的實現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)中，通常并沒有像BIOS那樣的固件程序，因此整個系統(tǒng)的加載啟動任務就完全由BootLoade

17、r來完成。BootLoader的任務是初始化芯片和主板，通過修改相應的配置文件和驅動程序就可以實現(xiàn)移植過程中需要創(chuàng)建的開發(fā)板文件。 嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建在此次設計中，硬件平臺是基于XSBASE270試驗箱的。嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建主要包括以下幾個方面，如下：1、虛擬機安裝安裝虛擬機，采用VMware。 2、Linux系統(tǒng)安裝在VMware上安裝REDHAT 企業(yè)版linux操作系統(tǒng)。安裝完畢之后，安裝 VMwareTools工具。3、minicom配置在啟動紅帽之前，要設置添加一個串口，設置成功之后，打開linux操作系統(tǒng)，在終端執(zhí)行minicom -s命令 ，會出現(xiàn)以下界面：選擇serial

18、port setup，按照以下設置：設置串口，設置波特率為115200，硬件流控制設為無。具體如下：選擇Save setup as dfl 選擇Exit即可啟動minicom4、Tftp配置 Tftp是類似于ftp的一個傳輸協(xié)議。它使用IP和UDP作為子協(xié)議。在目標板上，該協(xié)議被會在Bootloader下被用來下載kernel和文件系統(tǒng)的鏡像，傳輸媒質是以太網，以較高的速度。 安裝tftp rpm包的步驟如下：安裝tftp-server-0.17-9.i386軟件包修改/etc/xinetd.d/tftp文件，內容如下：service tftpsocket_type= dgramprotoco

19、l= udpwait= yesuser= rootserver= /usr/sbin/in.tftpdserver_args= -s /tftpbootserver_args += -s /odm/tftpbootdisable=no5、在根目錄下建立/tftpboot文件夾，將要下載的文件放在該目錄中即可。6、bootp配置引導協(xié)議（BOOTP）是一種基于UDP/IP的協(xié)議。這種協(xié)議允許正在啟動的主機動態(tài)配置而無需用戶監(jiān)督。BOOTP主要用于客戶機從服務器獲得自己的IP地址，服務器的IP地址以及啟動映象文件名。在一個評估板系統(tǒng)中，這些協(xié)議通常是和tftp一起使用用來將內核和文件系統(tǒng)從PC上下

20、載到目標板中。Bootp主要用來獲得目標板和主機的ip信息，以便可以使用Tftp協(xié)議來傳輸文件。安裝bootp-7.i386軟件包在終端中輸入命令：rpm -ivh bootp-7.i386.rpm 在/etc/xinetd.d/目錄下建立bootp文件，文件內容如下：service bootpsdisable=nosocket_type=dgramprotocol=udpwait=yesuser=rootserver=/usr/sbin/bootpd在/etc/目錄下建立bootptab文件，內容如下test:ht= 1:ha= 0x123456789a00:ip=0:

21、重啟xinitd在終端中輸入：/etc/rc.d/init.d/xinetd restart7、nfs配置8、交編譯環(huán)境配置交叉編譯環(huán)境的配置總共分為四個部分：配置交叉編譯環(huán)境，然后將交叉編譯工具安裝在/opt目錄下，試交叉編譯環(huán)境，測試的時候用file命令查看文件。 Bootloader燒寫B(tài)oot Loader 就是在操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。   通常，Boot Loader 是嚴重地依賴于硬件而實現(xiàn)的，特別是

22、在嵌入式世界。因此，在嵌入式世界里建立一個通用的 Boot Loader 幾乎是不可能的。盡管如此，我們仍然可以對 Boot Loader 歸納出一些通用的概念來，以指導用戶特定的 Boot Loader 設計與實現(xiàn)。下面介紹Boot Loader的燒寫過程，以Linux-.10內核為例，我們采用的燒寫工具是jflashmm。具體步驟如下：將bootloader的映象文件boot拷貝Jflash-XSBase270（jflashmm所在目錄），并利用用Jflash-XSBase270目錄中jflashmm程序，將 bootloader映象文件boot燒寫到開發(fā)板上。在 Jflash_Xsbas

23、e270文件夾下打開一個終端，同時給板子上電，輸入命令：./Jflashmm boot，即可完成boot的燒寫。指令為：rootlocalhost pxa270 #cd Jflash_Xsbase270rootlocalhost Jflash-XSBase270 # ./jflashmm boot內核、文件系統(tǒng)的燒寫B(tài)ootloader燒寫成功后，接下來就進行內核和文件系統(tǒng)的燒寫，具體步驟如下：（1） 開發(fā)板上電，進入下載模式打開minicom，已經配置好了，拔掉JTAG下載線。按空格鍵，進入下載模式按空格鍵，進入下載模式按菜單0，51Board>setmyipaddr : 192.16

24、8.0.50 destipaddr : 00 myhaddr : 00:02:88:8E:CA:B1 autoboot : load kernel; load ramdisk; boot kernelname : zImage fsname : rootfs.img delay : 2 按鍵盤上的0，進入命令行模式：0Comanndline mode51board>set /查看系統(tǒng)狀態(tài)將系統(tǒng)屬性修改成以上狀態(tài)按鍵盤上的1，進入命令行模式：1 View current configuration,回車。然后按2，3，4等燒寫成功后，可看到顯示屏亮起來，顯示當前的操作

25、系統(tǒng)。4.4驅動程序的實現(xiàn)在嵌入式Linux系統(tǒng)中操作設備的方法，是將設備看作一個文件來訪問。用戶只需注意對文件的操作。在嵌入式Linux系統(tǒng)中一個設備表示為主設備和從設備。Linux系統(tǒng)的設備分為字符設備、塊設備和網絡設備3種。字符設備是指存取時沒有緩存的設備，塊設備的讀寫都有緩存來支持，并且塊設備必須能夠隨機存取，字符設備則沒有這個要求。典型的字符設備包括鼠標、鍵盤、串行口等；塊設備主要包括硬盤軟盤設備、CDROM等，這些設備要想在操作系統(tǒng)下正常運行，必須配置相應的驅動程序。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)lash及USB屬于塊設備，AUDIO及LCD屬于字符設備。下面是讀寫Flash存儲器的驅動程序的主要

26、代碼：main()char buf4096，buf24096; int fd1,fd2; if( (fd1=open(“/dev/dsk5”,O_RDONLY)= = 1)|(fd1=open(“/dev/dsk5”,O_RDONLY)= = 1)printf(“failure on open n”);exit();lseek(fdl，8192L，O);lseek(fd2，8192L，O);if(read(fd1,buf，sizeof(buf1)= = -1)|(read(fdl，buf1，sizeof(buf1)= = -1)printf(“failure on read n”):exit(

27、);for(i=0;I < sizeof(buf1);i+)if(buf1i != buf2i)Printf(“diferent at offset%dn”，i);exit();printf(“reads matchn”);MP3解碼部分芯片的驅動。音頻驅動程序實現(xiàn)的主要功能是：（1）系統(tǒng)啟動時可以完成芯片的初始化；（2）具體操作時可以提供給操作系統(tǒng)合適的軟件接口。音頻驅動初始化程序如下：void STA013_Init(void)if(STA013_SendCommand(RESET_REG,0,0x00)      

28、0;  /復位STA013          STA013_PrintError();if(STA013_SendCommand(ACT_CON_REG,0,0x00)      /未激活狀態(tài)          STA013_PrintError();if(STA013_SendCommand(PWR_CON_REG,0,0x00)  &

29、#160;   /上電          STA013_PrintError();if(STA013_SendCommand(FS_CON_REG,0,I STA013L_FsValueSysInfo.SamplingIndex)     /選擇采樣頻率          STA013_PrintError();if(STA013_SendComm

30、and(IF_CON_REG,0,0x02+(0<<6)  /選擇16位IIS數(shù)據格式          STA013_PrintError();                       if(STA013_SendCommand(ANG_CTL_REG,0,0)

31、   / 0x13, 0x12選擇DAC和Line In輸入模式 STA013_PrintError();                      if(STA013_SendCommand(DGT_CTL_REG,0,0x00)       / DAC靜音   &#

32、160;      STA013_PrintError();if(STA013_SendCommand(LHP_VOL_REG,0,0x00)       /左聲道音量      STA013_PrintError();if(STA013_SendCommand(RHP_VOL_REG,0,0x00)       /右聲道音量    &#

33、160;     STA013_PrintError();if(STA013_SendCommand(ACT_CON_REG,0,0x00)       /數(shù)據傳送激活          STA013_PrintError();4.3 音頻驅動電路音頻設備驅動程序主要通過對硬件的控制實現(xiàn)音頻流的傳輸，同時向上層提供標準音頻接口。音頻接口驅動向上提供2個標準接口：數(shù)字音頻處理（DSP），負責音頻數(shù)據的傳輸即播

34、放數(shù)字化聲音文件和錄音操作等；混音器（MIXER），負責對輸出音頻進行混音處理，如音量調節(jié)等。這2個標準接口分別對應設備文件dev/sound/dsp和dev/sound/mixer。整個音頻驅動的實現(xiàn)分為初始化、打開設備、DSP驅動、MIXER驅動和釋放設備等部分： 設備初始化主要完成對UCB1400音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊設備、打開設備。為設備分配DMA通道，根據采樣參數(shù)計算出緩存內段的大小。當緩存區(qū)和DMA設置好后，讀寫操作主要對緩存操作。 DSP驅動的實現(xiàn)：DSP驅動實現(xiàn)了音頻數(shù)據的傳輸即播放和錄音的數(shù)據傳輸。同時提供ioctl對UCB1400中的DAC何ADC采樣頻進行控制。 MIXER驅動的實現(xiàn)：MIXER驅動只控制混音效果，并不執(zhí)行讀寫操作，通過ioctl函數(shù)完成混音效果、音量的增減等功能。4.4 Mp3播放器軟件的實現(xiàn)本系統(tǒng)使用QT/Embeded制作圖形用戶界面，利用開源的Madplay解碼器對Mp3文件進行軟件解碼，功能包括打開文件、播放和暫停、快進快退、上下曲、音量加減、顯示時間進度、顯示歌曲名、總的播放時間、各種狀態(tài)信息等。下面就一些重要功能的實現(xiàn)做簡要的介紹。 外部事件的