嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計算機(jī)功能但又不稱之為計算機(jī)的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可*性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨(dú)立工作的"器件".MP3是一種典型的嵌入式設(shè)備，而現(xiàn)在市場上比較常見的是閃存式MP3.由于閃盤式MP3的容量限制，使它存儲歌曲數(shù)目較少，在功能上也很難實(shí)現(xiàn)多樣化。而硬盤式MP3的多功能及大容量，也必將受到不少消費(fèi)者的喜愛。

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(shè)計、MP3解碼流程、實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)軟硬件調(diào)試過程等嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

1 引 言

采用 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)Layer3算法進(jìn)行壓縮處理后的文件統(tǒng)稱為MP3文件，能夠?qū)P3文件進(jìn)行解碼并還原聲音的系統(tǒng)都可以被稱為MP3播放器。作為消費(fèi)類電子產(chǎn)品的代表，MP3不斷增長的消費(fèi)要求也促使生產(chǎn)廠家采用更先進(jìn)的技術(shù)來提高自己產(chǎn)品的競爭力。針對MP3 、MP4以及智能手機(jī)上的數(shù)字音視頻應(yīng)用，SOC芯片廠商如國外的SIGMATEL、國內(nèi)的珠海炬力集成電路公司均推出了基于MAP的解決方案。

MAP移動應(yīng)用中間件是專門為傳統(tǒng)非無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)商量身定做的無線應(yīng)用開發(fā)中間件平臺。無需專門學(xué)習(xí)不同平臺的移動應(yīng)用開發(fā)技能，通過MAP,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)人員即能夠?qū)鹘y(tǒng)信息系統(tǒng)擴(kuò)展到Windows mobile、J2ME、Symbian和Android等無線終端。除此之外，MAP還可幫助用戶在線配置和管理部署在無線終端的移動應(yīng)用。

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(shù)字信號處理器，即CPU+DSP.MAP中的嵌入式CPU作為一個通用的硬件平臺，運(yùn)行一個通用的操作系統(tǒng)。MAP中的嵌入式DSP是另一個核心器件，它的任務(wù)是完成復(fù)雜的高速信息處理。全硬件模式則采用的是CPU+ASIC,由專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用SOC多媒體應(yīng)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(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案。

2 MP3系統(tǒng)硬件設(shè)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、鍵盤輸入電路、FM收音機(jī)單元、外部存儲器、功放及揚(yáng)聲器單元等。系統(tǒng)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(yáng)聲器或耳機(jī)。

主控MAP中的嵌入式CPU運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)管理包括鍵盤與LCD、文件系統(tǒng)、FM模塊，并實(shí)現(xiàn)MP3的數(shù)據(jù)管理、娛樂游戲、通信等功能。

2.1 主控芯片

ATJ2135是真正理想的"一片解決"SOC數(shù)字多媒體處理芯片，為用戶提供了一個非常靈活而且價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(gòu)成雙核結(jié)構(gòu)。其中DSP用于音頻解碼算法，CPU用于播放器的操作系統(tǒng)。ATJ2135還集成了時鐘、內(nèi)部存儲器BROM,以及SDRAM、鍵盤和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(shè)計

合適的低功耗電源是便攜式系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計之一。本硬件系統(tǒng)平常采用鋰離子充電電池供電。而在系統(tǒng)與外部PC機(jī)交換數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)電源將采用USB供電模式，同時鋰電池將停止供電。所以電路應(yīng)具有完成電源切換、穩(wěn)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(wěn)壓芯片XC6206P152M、XC6219B182MR和RCR3402等器件來實(shí)現(xiàn)。

2.3輸入輸出組件

2.3.1 A/D式線控鍵盤接口設(shè)計

為了適應(yīng)MP3應(yīng)用的特殊性，ATJ2135提供另外一種我們在其他嵌入式應(yīng)用中很少見的鍵盤結(jié)構(gòu)--A/D式線控鍵盤。這種鍵盤可以進(jìn)一步減少I/O口的使用數(shù)量。利用串聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)在不同的按鍵按下時輸出不同的電壓值，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換求出其對應(yīng)的數(shù)字量，從而根據(jù)軟件設(shè)定確定是哪一個按鍵按下。為了減小誤差和提高軟件識別率，分壓電阻應(yīng)采用誤差范圍為1%的高精度電阻，軟件可以設(shè)定適當(dāng)寬的范圍來區(qū)分每一個按鍵值。ATJ2135內(nèi)部提供一個4位低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，可以很方便的配置成線控按鍵模式。

2.3.2 LCD顯示輸出

由于ATJ2135芯片沒有自帶 LCD Controller ,因此需要選用帶 LCD Controller 的 LCD （液晶屏）。本系統(tǒng)選擇KGM281E0作為液晶顯示屏。KGM281E0是一個240xRGBx320點(diǎn)陣TFT-LCD顯示模塊，它可以配置為16位或18位并行數(shù)據(jù)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(qū)動需要較高的電壓，并且要求根據(jù)需要調(diào)節(jié)背光的亮度，因此就需要一個高效的升壓電路來實(shí)現(xiàn)這一功能，為此ATJ2135提供了一個背光控制，它可以按照軟件的設(shè)定值輸出8種不同頻率的脈沖，通過改變輸出頻率值來改變背光亮度。

2.4系統(tǒng)存儲器

本播放器采用一塊512 M NAND FLASH作為片上存儲單元，寫入速度較快，具有良好的抗震能力，體積、重量較小，尤其適合便攜式系統(tǒng)的要求。另外本系統(tǒng)還集成了SD卡插槽以方便用戶升級存儲空間。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(tǒng)運(yùn)行速度，適應(yīng)視頻播放及游戲時的數(shù)據(jù)處理，還擴(kuò)展有外部SDRAM存儲芯片。存儲器接口方式采三總線連接方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 MP3解碼流程

MP3采用了較為復(fù)雜的比特流結(jié)構(gòu)，所有MPEG的比特流都被分割成了單獨(dú)的幀。對于MPEG圖2音頻，每秒都傳送固定數(shù)目的幀，也就是說，當(dāng)比特率和采樣率固定時，每一幀具有相同的大小，并攜帶有相同數(shù)目的樣本。解碼算法由嵌入式DSP軟件實(shí)現(xiàn)，流程如圖2所示。

3.2嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計

ATJ2135采用μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件移植設(shè)計。μCOS-Ⅱ是一個源代碼公開的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，具有小內(nèi)核、多任務(wù)、豐富的系統(tǒng)服務(wù)、容易使用等特點(diǎn)并且非常穩(wěn)定、可靠。而由于其極小的內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。本系統(tǒng)采用可剝奪型多任務(wù)內(nèi)核，其任務(wù)層設(shè)計及任務(wù)流程如圖3所示。

3.3 嵌入式系統(tǒng)軟件編譯與調(diào)試

系統(tǒng)所采用ATJ2135的嵌入式開發(fā)工具為cygwin.cygwin軟件是cygnus solution公司開發(fā)的，是一個在Windows平臺運(yùn)行的Unix模擬環(huán)境。其中，USDK13O 提供最主要的調(diào)試手段。它需要在調(diào)試的代碼段添加打印語句，而運(yùn)行則是觀察超級終端上的打印輸出，以此來診斷程序是否符合設(shè)計邏輯。通過打印輸出來調(diào)試程序是一種簡單實(shí)用的調(diào)試手段。它可以在不打斷系統(tǒng)運(yùn)行的情況下獲知其運(yùn)行過程。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(xiàng)，然后設(shè)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(xù)的分析和查找。當(dāng)程序存在設(shè)計或編碼的缺陷時，系統(tǒng)運(yùn)行會崩潰，并在終端輸出異常信息。此時可以將異常出現(xiàn)的地址比對 USDK130 提供的空間分配表來查找導(dǎo)致異常的模塊，然后可以找到該模塊對應(yīng)的 IST 文件來定位錯誤所在的位置，從而完成調(diào)試過程。

3.4固件生成

軟件編譯和調(diào)試完成后，會生成一些*.app應(yīng)用程序和*.drv驅(qū)動文件，應(yīng)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(jī)上。

4 系統(tǒng)調(diào)試

由于嵌入式MP3對信號要求較高，在布線時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(qū)，把模擬信號與數(shù)字電路及噪聲源部分（如 DC-DC 等）合理地分開，使相互間的信號耦合為最小，盡量減少相互之間的交叉。電源走線應(yīng)盡量做到由小電流到大電流最后到供電電源的負(fù)極（地）和正極處。電源走線應(yīng)注意線徑，信號線從起點(diǎn)到終點(diǎn)應(yīng)保持同一線寬，不要有粗細(xì)變化。

在整機(jī)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(jī)接電腦。若電路正常，PC操作系統(tǒng)應(yīng)該會提示發(fā)現(xiàn)新的硬件設(shè)備，此時用量產(chǎn)工具打開固件文件將固件下載到系統(tǒng)中，然后對各個功能進(jìn)行逐個測試，對發(fā)現(xiàn)的問題加以糾正。

5 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)是專用的計算機(jī)系統(tǒng)，軟硬件的設(shè)計必須協(xié)同和嚴(yán)格規(guī)范。本設(shè)計多媒體應(yīng)用處理器SOC芯片ATJ2135實(shí)現(xiàn)MP3播放器的嵌入式應(yīng)用。須以硬件系統(tǒng)為前提以功能定義為要求進(jìn)行設(shè)計現(xiàn)調(diào)試。嵌入式系統(tǒng)硬件的定制，程序的設(shè)計必須多次的調(diào)試與完善。比如，硬件電路無法正常工作，必須分析原因、調(diào)試；開發(fā)環(huán)境相關(guān)軟件無法正常安裝，必須排除各種錯誤，直到成功搭建開發(fā)環(huán)境；嵌入式系統(tǒng)是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式便攜多媒體播放器是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個典型應(yīng)用。嵌入式便攜多媒體播放器未來的發(fā)展方向?qū)尸F(xiàn)出多樣化、多功能化、普遍化的變化。

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