基于MAP的嵌入式MP3播放器设计与实现
2010-12-18 10:39:59
来源：《半导体器件应用》2009年11月刊
点击：1321
1 引言
采用 MPEG 标准Layer3算法进行压缩处理后的文件统称为MP3文件，能够对MP3文件进行解码并还原声音的系统都可以被称为MP3播放器。作为消费类电子产品的代表，MP3不断增长的消费要求也促使生产厂家采用更先进的技术来提高自己产品的竞争力。针对MP3 、MP4以及智能手机上的数字音视频应用，SOC芯片厂商如国外的SIGMATEL、国内的珠海炬力集成电路公司均推出了基于MAP的解决方案。
MAP，即Multimedia application processors，是多媒体应用处理器的简称。它是在低功耗CPU的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模SOC集成电路，是一种新型的嵌入式应用处理器。MAP的主要应用领域是便携式消费类电子。MAP要求低功耗、体积微小、并具备尽可能高的性能。因此，许多微电子和IT领域的最新技术均用到了MAP中。例如用90纳米和45纳米工艺提高速度和集成度，并采用前后台工作的双核和多核CPU和DSP提升性能。
MAP分为全软件模式与全硬件模式两种。全软件模式采用嵌入式中央处理器加数字信号处理器，即CPU+DSP。MAP中的嵌入式CPU作为一个通用的硬件平台，运行一个通用的操作系统。MAP中的嵌入式DSP是另一个核心器件，它的任务是完成复杂的高速信息处理。全硬件模式则采用的是CPU+ASIC，由专用集成电路完成音视频解码功能。
下面，给出基于珠海炬力公司的全软件模式专用SOC多媒体应用处理器芯片ATJ2135，用于一款智能玩具的MP3播放器嵌入式系统设计与实现方案。
2 MP3系统硬件设计
播放器核心是炬力的ATJ2135芯片，主要组成包括电源单元、显示单元、键盘输入电路、FM收音机单元、外部存储器、功放及扬声器单元等。系统总体框图如图1所示。主控MAP中的嵌入式DSP对MP3文件进行音频解码，解码后的序列经MAP中DAC输出至功放及扬声器或耳机。
主控MAP中的嵌入式CPU运行实时操作系统管理包括键盘与LCD、文件系统、FM模块，并实现MP3的数据管理、娱乐游戏、通信等功能。
2.1 主控芯片
ATJ2135是真正理想的“一片解决”SOC数字多媒体处理芯片，为用户提供了一个非常灵活而且价格适宜的嵌入式音频解决方案。选用32位RISC 的MIPS核，并集成24位嵌入式DSP，构成双核结构。其中DSP用于音频解码算法，CPU用于播放器的操作系统。ATJ2135还集成了时钟、内部存储器BROM，以及SDRAM、键盘和YUV2RGB显示接口，ADC、DAC、电源管理PMU、红外接口等外围控制组件。
2.2 电源设计
合适的低功耗电源是便携式系统关键设计之一。本硬件系统平常采用锂离子充电电池供电。而在系统与外部PC机交换数据时，系统电源将采用USB供电模式，同时锂电池将停止供电。所以电路应具有完成电源切换、稳压及充放电等功能。由于元件工作在降压模式，选用了XC62系列稳压芯片XC6206P152M、XC6219B182MR和RCR3402等器件来实现。
2.3 输入输出组件
2.3.1 A/D式线控键盘接口设计
为了适应MP3应用的特殊性，ATJ2135提供另外一种在其他嵌入式应用中很少见的键盘结构——A/D式线控键盘。这种键盘可以进一步减少I/O口的使用数量.利用串联电阻网络在不同的按键按下时输出不同的电压值，然后进行A/D转换求出其对应的数字量，从而根据软件确定是哪一个按键按下。为了减小误差和提高软件识别率，分压电阻应采用误差范围为1%的高精度电阻，软件可以设定适当宽的范围来区分每一个按键值。ATJ2135内部提供一个4位低分辨率A/D转换器，可以很方便的配置成线控按键模式。
2.3.2 LCD显示输出
由于ATJ2135芯片没有自带 LCD Controller ，因此需要选用带 LCD Controller 的 LCD（液晶屏）。本系统选择KGM281E0作为液晶显示屏。KGM281E0是一个240xRGBx320点阵TFT-LCD显示模块，它可以配置为16位或18位并行数据输入方式，可支持视频播放，显示效果非常出色。显示屏的背光驱动需要较高的电压，并且要求根据需要调节背光的亮度，因此就需要一个高效的升压电路来实现这一功能。为此ATJ2135提供了一个背光控制，它可以按照软件的设定值输出8种不同频率的脉冲，通过改变输出频率值来改变背光亮度。
2.4 系统存储器
本播放器采用一块512 M NAND FLASH作为片上存储单元，写入速度较快，具有良好的抗震能力，体积、重量较小，尤其适合便携式系统的要求。另外本系统还集成了SD卡插槽以方便用户升级存储空间。Flash芯片采用Hynix的HY27UT084G NAND Flash Memory，其工作电压为1.8V或3.3V。而为了提高系统运行速度，适应视频播放及游戏时的数据处理，还扩展有外部SDRAM存储芯片。存储器接口方式采用三总线连接方式。
3 系统软件设计
3.1 MP3解码流程
MP3采用了较为复杂的比特流结构，所有MPEG的比特流都被分割成了单独的帧。对于MPEG图2音频，每秒都传送固定数目的帧，也就是说，当比特率和采样率固定时，每一帧具有相同的大小，并携带有相同数目的样本。解码算法由嵌入式DSP软件实现，流程如图2所示。
3.2 嵌入式实时操作系统设计
ATJ2135采用μCOS -Ⅱ操作系统进行软件移植设计。μCOS -Ⅱ是一个源代码公开的嵌入式实时操作系统，具有小内核、多任务、丰富的系统服务、容易使用等特点并且非常稳定、可靠。 而由于其极小的内核，特别适用于对程序代码存储空间要求极其敏感的嵌入式MP3应用系统开发。本系统采用可剥夺型多任务内核，其任务层设计及任务流程如图3所示。
3.3 嵌入式系统软件编译与调试
系统采用ATJ2135的嵌入式开发工具为cygwin。cygwin软件是cygnus solution公司开发的，是一个在Windows平台运行的Unix模拟环境。其中，USDK13O 提供最主要的调试手段。它需要在调试的代码段添加打印语句，而运行则是观察超级终端上的打印输出，以此来诊断程序是否符合设计逻辑。通过打印输出来调试程序是一种简单实用的调试手段。它可以在不打断系统运行的情况下获知其运行过程。超级终端提供日志功能，只要点击传送菜单下的捕获文字项，然后设置日志所在的目录，这样输出的所有信息都将记录在日志文件中，便于后续的分析和查找。当程序存在设计或编码的缺陷时，系统运行会崩溃，并在终端输出异常信息。此时可以将异常出现的地址比对 USDK130 提供的空间分配表来查找导致异常的模块，然后可以找到该模块对应的 IST 文件来定位错误所在的位置，从而完成调试过程。
3.4 固件生成
软件编译和调试完成后，会生成一些*.app应用程序和*.drv驱动文件，应该将这些文件打包，生成后缀为fwu的固件文件，借助于量产工具下载到嵌入式Mp3裸机上。
4 系统调试
由于嵌入式MP3对信号要求较高，在布线时要充分考虑外界信号的干扰，因此将PCB采用四层板。PCB板的布局按照功能模块分区，把模拟信号与数字电路及噪声源部分（如DC-DC等）合理地分开，使相互间的信号耦合为最小，尽量减少相互之间的交叉。电源走线应尽量做到由小电流到大电流最后到供电电源的负极（地）和正极处。电源走线应注意线径，信号线从起点到终点应保持同一线宽，不要有粗细变化。
在整机电流正常的情况下，测量关键点电压，一切正常后才可将样机接电脑。若电路正常，PC操作系统应该会提示发现新的硬件设备，此时用量产工具打开固件文件将固件下载到系统中，然后对各个功能进行逐个测试，对发现的问题加以纠正。
5 结束语
本文给出了基于多媒体应用处理器SOC芯片ATJ2135实现MP3播放器的嵌入式应用。该MP3被用于一款智能玩具中，表现出了强大的功能与优异的性能。ATJ2135的全软件工作模式使得该MP3播放器只需将嵌入式DSP执行的音频解码算法调整为视音频解码算法就可以迅速变身为MP4，而不需要改动硬件结构。针对实时操作系统的改动也是同样的。这样就为属于消费类电子的便携式数字音视频设备快速升级换代以适应市场需求变化提供了保证。本款产品已于07年投入生产并产生经济效益约一百万元。
附录
本文创新点：
通过嵌入式MP3播放器的MAP应用设计实践可以表明嵌入式MP3设计比较好的结构是采用CPU+DSP，即在MAP的嵌入式CPU上安装实时操作系统运行应用程序并处理用户数据，利用嵌入式DSP中的软件算法对付各类格式繁杂的视音频信号，可以获得强大的性能并能很容易进行产品的升级换代。
参考文献
[1] 姜秀华. 数字电视原理及应用. 北京: 人民邮电出版社， 2003
[2] 沈胜庆. 嵌入式操作系统的内核研究[J]. 微计算机信息， 2006， 2: 72-74.
[3] 任哲. 嵌入式实时操作系统μC/OS_II原理及应用. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2005.
（来源：微计算机信息）
采用 MPEG 标准Layer3算法进行压缩处理后的文件统称为MP3文件，能够对MP3文件进行解码并还原声音的系统都可以被称为MP3播放器。作为消费类电子产品的代表，MP3不断增长的消费要求也促使生产厂家采用更先进的技术来提高自己产品的竞争力。针对MP3 、MP4以及智能手机上的数字音视频应用，SOC芯片厂商如国外的SIGMATEL、国内的珠海炬力集成电路公司均推出了基于MAP的解决方案。
MAP，即Multimedia application processors，是多媒体应用处理器的简称。它是在低功耗CPU的基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模SOC集成电路，是一种新型的嵌入式应用处理器。MAP的主要应用领域是便携式消费类电子。MAP要求低功耗、体积微小、并具备尽可能高的性能。因此，许多微电子和IT领域的最新技术均用到了MAP中。例如用90纳米和45纳米工艺提高速度和集成度，并采用前后台工作的双核和多核CPU和DSP提升性能。
MAP分为全软件模式与全硬件模式两种。全软件模式采用嵌入式中央处理器加数字信号处理器，即CPU+DSP。MAP中的嵌入式CPU作为一个通用的硬件平台，运行一个通用的操作系统。MAP中的嵌入式DSP是另一个核心器件，它的任务是完成复杂的高速信息处理。全硬件模式则采用的是CPU+ASIC，由专用集成电路完成音视频解码功能。
下面，给出基于珠海炬力公司的全软件模式专用SOC多媒体应用处理器芯片ATJ2135，用于一款智能玩具的MP3播放器嵌入式系统设计与实现方案。
2 MP3系统硬件设计
播放器核心是炬力的ATJ2135芯片，主要组成包括电源单元、显示单元、键盘输入电路、FM收音机单元、外部存储器、功放及扬声器单元等。系统总体框图如图1所示。主控MAP中的嵌入式DSP对MP3文件进行音频解码，解码后的序列经MAP中DAC输出至功放及扬声器或耳机。
主控MAP中的嵌入式CPU运行实时操作系统管理包括键盘与LCD、文件系统、FM模块，并实现MP3的数据管理、娱乐游戏、通信等功能。
2.1 主控芯片
ATJ2135是真正理想的“一片解决”SOC数字多媒体处理芯片，为用户提供了一个非常灵活而且价格适宜的嵌入式音频解决方案。选用32位RISC 的MIPS核，并集成24位嵌入式DSP，构成双核结构。其中DSP用于音频解码算法，CPU用于播放器的操作系统。ATJ2135还集成了时钟、内部存储器BROM，以及SDRAM、键盘和YUV2RGB显示接口，ADC、DAC、电源管理PMU、红外接口等外围控制组件。
2.2 电源设计
合适的低功耗电源是便携式系统关键设计之一。本硬件系统平常采用锂离子充电电池供电。而在系统与外部PC机交换数据时，系统电源将采用USB供电模式，同时锂电池将停止供电。所以电路应具有完成电源切换、稳压及充放电等功能。由于元件工作在降压模式，选用了XC62系列稳压芯片XC6206P152M、XC6219B182MR和RCR3402等器件来实现。
2.3 输入输出组件
2.3.1 A/D式线控键盘接口设计
为了适应MP3应用的特殊性，ATJ2135提供另外一种在其他嵌入式应用中很少见的键盘结构——A/D式线控键盘。这种键盘可以进一步减少I/O口的使用数量.利用串联电阻网络在不同的按键按下时输出不同的电压值，然后进行A/D转换求出其对应的数字量，从而根据软件确定是哪一个按键按下。为了减小误差和提高软件识别率，分压电阻应采用误差范围为1%的高精度电阻，软件可以设定适当宽的范围来区分每一个按键值。ATJ2135内部提供一个4位低分辨率A/D转换器，可以很方便的配置成线控按键模式。
2.3.2 LCD显示输出
由于ATJ2135芯片没有自带 LCD Controller ，因此需要选用带 LCD Controller 的 LCD（液晶屏）。本系统选择KGM281E0作为液晶显示屏。KGM281E0是一个240xRGBx320点阵TFT-LCD显示模块，它可以配置为16位或18位并行数据输入方式，可支持视频播放，显示效果非常出色。显示屏的背光驱动需要较高的电压，并且要求根据需要调节背光的亮度，因此就需要一个高效的升压电路来实现这一功能。为此ATJ2135提供了一个背光控制，它可以按照软件的设定值输出8种不同频率的脉冲，通过改变输出频率值来改变背光亮度。
2.4 系统存储器
本播放器采用一块512 M NAND FLASH作为片上存储单元，写入速度较快，具有良好的抗震能力，体积、重量较小，尤其适合便携式系统的要求。另外本系统还集成了SD卡插槽以方便用户升级存储空间。Flash芯片采用Hynix的HY27UT084G NAND Flash Memory，其工作电压为1.8V或3.3V。而为了提高系统运行速度，适应视频播放及游戏时的数据处理，还扩展有外部SDRAM存储芯片。存储器接口方式采用三总线连接方式。
3 系统软件设计
3.1 MP3解码流程
MP3采用了较为复杂的比特流结构，所有MPEG的比特流都被分割成了单独的帧。对于MPEG图2音频，每秒都传送固定数目的帧，也就是说，当比特率和采样率固定时，每一帧具有相同的大小，并携带有相同数目的样本。解码算法由嵌入式DSP软件实现，流程如图2所示。
3.2 嵌入式实时操作系统设计
ATJ2135采用μCOS -Ⅱ操作系统进行软件移植设计。μCOS -Ⅱ是一个源代码公开的嵌入式实时操作系统，具有小内核、多任务、丰富的系统服务、容易使用等特点并且非常稳定、可靠。 而由于其极小的内核，特别适用于对程序代码存储空间要求极其敏感的嵌入式MP3应用系统开发。本系统采用可剥夺型多任务内核，其任务层设计及任务流程如图3所示。
3.3 嵌入式系统软件编译与调试
系统采用ATJ2135的嵌入式开发工具为cygwin。cygwin软件是cygnus solution公司开发的，是一个在Windows平台运行的Unix模拟环境。其中，USDK13O 提供最主要的调试手段。它需要在调试的代码段添加打印语句，而运行则是观察超级终端上的打印输出，以此来诊断程序是否符合设计逻辑。通过打印输出来调试程序是一种简单实用的调试手段。它可以在不打断系统运行的情况下获知其运行过程。超级终端提供日志功能，只要点击传送菜单下的捕获文字项，然后设置日志所在的目录，这样输出的所有信息都将记录在日志文件中，便于后续的分析和查找。当程序存在设计或编码的缺陷时，系统运行会崩溃，并在终端输出异常信息。此时可以将异常出现的地址比对 USDK130 提供的空间分配表来查找导致异常的模块，然后可以找到该模块对应的 IST 文件来定位错误所在的位置，从而完成调试过程。
3.4 固件生成
软件编译和调试完成后，会生成一些*.app应用程序和*.drv驱动文件，应该将这些文件打包，生成后缀为fwu的固件文件，借助于量产工具下载到嵌入式Mp3裸机上。
4 系统调试
由于嵌入式MP3对信号要求较高，在布线时要充分考虑外界信号的干扰，因此将PCB采用四层板。PCB板的布局按照功能模块分区，把模拟信号与数字电路及噪声源部分（如DC-DC等）合理地分开，使相互间的信号耦合为最小，尽量减少相互之间的交叉。电源走线应尽量做到由小电流到大电流最后到供电电源的负极（地）和正极处。电源走线应注意线径，信号线从起点到终点应保持同一线宽，不要有粗细变化。
在整机电流正常的情况下，测量关键点电压，一切正常后才可将样机接电脑。若电路正常，PC操作系统应该会提示发现新的硬件设备，此时用量产工具打开固件文件将固件下载到系统中，然后对各个功能进行逐个测试，对发现的问题加以纠正。
5 结束语
本文给出了基于多媒体应用处理器SOC芯片ATJ2135实现MP3播放器的嵌入式应用。该MP3被用于一款智能玩具中，表现出了强大的功能与优异的性能。ATJ2135的全软件工作模式使得该MP3播放器只需将嵌入式DSP执行的音频解码算法调整为视音频解码算法就可以迅速变身为MP4，而不需要改动硬件结构。针对实时操作系统的改动也是同样的。这样就为属于消费类电子的便携式数字音视频设备快速升级换代以适应市场需求变化提供了保证。本款产品已于07年投入生产并产生经济效益约一百万元。
附录
本文创新点：
通过嵌入式MP3播放器的MAP应用设计实践可以表明嵌入式MP3设计比较好的结构是采用CPU+DSP，即在MAP的嵌入式CPU上安装实时操作系统运行应用程序并处理用户数据，利用嵌入式DSP中的软件算法对付各类格式繁杂的视音频信号，可以获得强大的性能并能很容易进行产品的升级换代。
参考文献
[1] 姜秀华. 数字电视原理及应用. 北京: 人民邮电出版社， 2003
[2] 沈胜庆. 嵌入式操作系统的内核研究[J]. 微计算机信息， 2006， 2: 72-74.
[3] 任哲. 嵌入式实时操作系统μC/OS_II原理及应用. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2005.
（来源：微计算机信息）
本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载，否则将严格追究法律责任；
暂无评论