【正文】 工程技術(shù)支持中心 (ETSC) 1. 項(xiàng)目概述 項(xiàng)目背景 隨著信息化、 智能化 、網(wǎng)絡(luò)化 的發(fā)展， 以 嵌入式系統(tǒng) 為核心的 消費(fèi)電子 和 通訊 產(chǎn)品 已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 。 各種各樣的新型嵌入式設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量上 已經(jīng) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用計(jì)算機(jī) 。 在嵌入式技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí) ， 數(shù)字音頻技術(shù)發(fā)展 也取得 了 長(zhǎng)足進(jìn)步 ，人們對(duì)多媒體應(yīng)用需求的不斷增加，同時(shí)也 對(duì)音頻服務(wù)質(zhì)量的期望不斷提升，音頻編解碼技術(shù)越來(lái)越多的受到重視 。在音頻數(shù)據(jù)編碼方面，因?yàn)樯婕暗酱罅康臄?shù)學(xué)計(jì)算， MP3 解碼器的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜， 所以 對(duì)其處理器與內(nèi)存的要求也越來(lái)越高。 本次設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)為 研究數(shù)字音頻技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合數(shù)字音頻和嵌入式系統(tǒng)這兩個(gè)前沿技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字音頻播放 器 。因此 設(shè)計(jì)音頻播放器這樣涉及知識(shí)面廣、綜合性強(qiáng)的作品 十分必要。 功能簡(jiǎn)介 本次設(shè)計(jì)完成的音頻播放器 以 飛思卡爾 Kiis 系列 K20 為 控制 核心 ， 具有的主要功能如下： ? 能夠支持多種格式的音頻文件，如常見的 WAV、 MP3 等 ； ? 具有暫停、播放等按鍵控制功能； ? 具有歌詞、音頻信息顯示等功能； ? 具有 USB 下載功能； ? 具有 SD 卡 存儲(chǔ) 功能； ? 具有簡(jiǎn)單人機(jī)交互 。 作品可行性分析 經(jīng)濟(jì)可行性分析 本系統(tǒng)的開發(fā) 用到的外圍芯片相對(duì)較少，多數(shù)由微控制器內(nèi)部集成。由此可見，完成音頻播放器在經(jīng)濟(jì)上完全可行。作品完成之后將撰寫詳細(xì)的 設(shè)計(jì)報(bào)告和功能說(shuō)明，并配置友好的用戶界面，相信會(huì)方便掌握操作。 技術(shù)可行性分析 音頻播放器的設(shè)計(jì)涉及的知識(shí)面比較廣泛 ， 主要有 USB協(xié)議、 SD 卡 、文件系統(tǒng)、音頻解碼等等，具有一定難度，可能會(huì)花費(fèi)一些時(shí)間。利用自己大學(xué)積累的嵌入式設(shè)計(jì)知識(shí) ，并且通過(guò)導(dǎo)師 的指導(dǎo)，相信會(huì)提交一份完美的音頻播放器作品。 基于 Kiis K20的 WAV音頻播放器的設(shè)計(jì) 3 工程技術(shù)支持中心 (ETSC) 3. 方案論證 播放器設(shè)計(jì)方案分析 本次設(shè)計(jì)播放器須達(dá)到的具體要求： 首先需通過(guò) PC 機(jī) USB 端口向 存儲(chǔ)器 中傳輸音頻文件，用人機(jī)輸入接口控制讀 存儲(chǔ)器 中已存在的音頻文件，經(jīng)音頻解碼芯片解碼后向外部設(shè)備 耳機(jī) 輸入高質(zhì)模擬音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)播放音樂(lè)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 。對(duì)于音頻播放器，后期需要音頻解碼芯片對(duì)音頻文件進(jìn)行解碼，會(huì)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，這就對(duì)控制器的性能有較高的要求。 基于 M0+內(nèi)核的 LPC1113方案 LPC1113 是基于 ARMCortexM0 的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式 產(chǎn)品 。 LPC1113 的 CPU頻率可以達(dá)到 50MHz，它的外設(shè)包括： 24KB 的 Flash， 8KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、一個(gè) I2C 接口 等 。這樣要完成基于 LPC1113 的音頻播放器不僅需要在程序移植和模塊測(cè)試等方面花費(fèi)時(shí)間，同樣硬件接口設(shè)計(jì)方面也需要更多精力。其高效的信號(hào)處理功能與 CortexM 處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合，旨在滿足專門面向電動(dòng)機(jī)控制、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的新興類別的靈活解決方案。低功耗方面，它具有全靜態(tài)的“等待”和“停止”兩種模式，從總體上降低了功耗 。具有事件中斷觸、發(fā) 復(fù)位等， 8 路電機(jī)控制 /PWM 定時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘配置 5 外部中斷 每個(gè)引腳都可以配置外部中斷，可任意配置觸發(fā)極性和邊沿 6 UART 3 個(gè) UART 口的通用串行通信功能 7 I2C 2 個(gè) I2C 8 SSP/SPI SPI 9 ADC 16 位 ADC、差分或單端、自動(dòng)比較功能 可配置的精度、采樣時(shí)間、采樣速度和功耗 10 DAC 12 位 DAC、硬件或軟件觸發(fā) 11 USB 全速 /低速 USB OTG 12 I2S I2S 基于 ARMCortexM4 內(nèi)核的 K20P64M72SF1RM 微控制器制作 WAV音頻播放器，需要增加的外圍模塊 僅為 音頻解碼芯片，外圍 電路相對(duì)簡(jiǎn)單 。 基于 AM9內(nèi)核的 S3C2440A方案 S3C2440A是基于 AM9 內(nèi)核 的 微處理器， ARM9 微處理器作為 ARM 系列中的一員，表現(xiàn)更為突出，它具有如下特點(diǎn)： ? 5 級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率高； ? 提供 ； ? 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集； ? 支持 32 位高速 AMBA總線接口； ? 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)； ? MCU 支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)； ? 支持 Cache 和指令 Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 處理器 具有優(yōu)越的處理 速度， S3C2440A其主頻 就可達(dá) 400MHz， 為解碼提供了足夠的速度， 同時(shí)也為作品功能擴(kuò)展提供了更多可能。 總結(jié) 基于 Kiis K20的 WAV音頻播放器的設(shè)計(jì) 5 工程技術(shù)支持中心 (ETSC) 此次設(shè)計(jì)音頻播放器需要支持 USB 下載、 SD卡存儲(chǔ)、人機(jī)交互等功能，為了簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)， 提高數(shù)據(jù)處理速度 ， 微控制器必須內(nèi)部集成 USB 控制器 、 SPI、 I2S等功能模塊。 表 微控制器對(duì)比 控制方案 主頻速度 功耗 軟件復(fù)雜度 外圍復(fù)雜度 LPC1113 50MHz 中 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 K20P64M72SF1RM 72MHz 低 簡(jiǎn)單 簡(jiǎn)單 S3C2440A 400MHz 中 復(fù)雜 簡(jiǎn)單 K20P64M72SF1RM 屬于 Kiis 子系列，是基于 ARM CortexM4 內(nèi)核的微控制器，它具有豐富的外設(shè)資源，具備開發(fā)一個(gè)具有 USB功能的音頻播放器 。 存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇 常用使用的存儲(chǔ)介質(zhì)主要包含以下幾種： Nor Flash、 Nand Flash、 SD 卡和 U 盤等。 Nor Flash簡(jiǎn)要介紹 Nor Flash 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)部執(zhí)行（ XIP， execute in place）。 Nor Flash 在 1~4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益。SPI Nor Flash 每次傳輸 1bit 位數(shù)據(jù)， Parallel Nor Flash 每次傳輸多個(gè) bit 位（分為 8bit 和 16bit兩種）的數(shù)據(jù)。SPI Nor Flash 引腳數(shù)量少，使用靈活，它比較適合做代碼下載應(yīng)用。 Nand Flash簡(jiǎn)要介紹 Nand Flash 的特點(diǎn)其內(nèi)部采用非線性宏單元模塊，為固態(tài)大容量?jī)?nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了廉價(jià)有效地解決方案。 Nand Flash 以塊為單位進(jìn)行讀和寫操作，所以基于 Nand Flash 的存儲(chǔ)器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。 Nand Flash 閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬(wàn)次，且典型的 Nand Flash 的塊尺寸要比 Nor Flash 器件小 8 倍，可見 Nand Flash 在耐用性和可靠性上是具有優(yōu)勢(shì)的。應(yīng)用 Nand Flash 的困難在于 Nand Flash 的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。 SD卡簡(jiǎn)要介紹 如 圖 所示， SD 卡（ Secure Digital Memory Card）是一種為滿足安全性、容量、性能和使用環(huán)境等各方面的需求而設(shè)計(jì)的一種新型存儲(chǔ)器件， SD 卡允許在兩種模式下工作，即 SD 模式和 SPI 模式。 SD 卡的工作模式分為兩種： SDIO 模式和 SPI 模式。由于 SD卡的普及，越來(lái)越多的 MCU內(nèi)部集成了 SDIO控制器，簡(jiǎn)化了我們的工作。 圖 SD 卡 SD 總線模式示意圖 SPI 屬于串行