基于LPC2214和uC_OS—Ⅱ的音频处理方案

基于 LPC221 4和 uC／OS—I I 的音频处理※ ■ 华中科技大学 彭 华 成 许 晓 晖 关键词 VSLOO3 LPC2214 uC／OS—II 音频编码 音频解码 基于 ARM平台和实时操作系统的嵌入式技术应用 得越来越广泛，因此，在开发一款工控手持设备中，也基于 这样的平台来实现。针对该工控手持设备对音频编解码 功能的特殊要求，并综合考虑了成本及可靠性的要求，最 终采用了基于 LPC2214和 uC／OS—II的嵌入式平台，结 合一款性能优越的音频编解码芯片——VS1OO3来实现。 1 基于 LPC2214和 uC／OS—Il的嵌入式平台 目前流行的 ARM芯片内核有 ARM7TDMI、ARM720T、 ARM9TDMⅡ、ARM922T、ARM94OT、ARM946T、ARM966T和 ARM1OTDMI等。Philips LPC2214是基于 ARM7TDMI—S 的高性能 32位 融SC微控制器。它集成了Thumb扩展指令 集，256 KB可在系统中编程的片内 Flash和可在应用中编 程的 16 KB RAM，向量中断控制器，外部总线控制器 ，2 个 UART，I2C串行接 口，2个 SPI串行接口，2个定时器 (7个捕获／比较通道)，可提供多达 6个 PWM 输 出的 PwM单元，8通道 1O位 ADC，实时时钟 ，看门狗定时器 以及 112个通用 I／O引脚。通过可编程 的片内锁相环 (PLL)可实现 LPC2214最高为 6O MHz的 CPU时钟频 率。相对众多 ARM 系列产品来说 ，Philips公司生产的 LPC2214是一款性价比较高的 ARM7芯片。 嵌入式实时操作系统有助于提高系统可靠性和开发 效率，且能够充分发挥 32位 CPU的多任务处理能力。常 见的嵌入式操作系统有 Linux、Windows CE、Vxworks、 Nucleus、uC／OS—II等。其中 uC／OS—II是一个可移植、 可固化、可裁剪的占先式实时操作系统 ，其周边的配套产 品也比较完善，如 uC／FS、uC／GUI等产品都为其应用增 强了实用性。相对其他操作系统而言，uC／OS—II正常运 行只需十几或几十 KB的 Flash空间和 SRAM空间，并且 其所需的授权费用也相对较低。结合以 LPC2214为核心 的硬件平台，在这里采用了 uC／OS—II作为该设备的嵌入 式操作系统 。 由上述 分析可 知 ，选 择 LPC2214和 uC／OS～II相 结 合的嵌入式平台是一种较为经济而实用的。 2 音频解码芯片的选择 LPC2214与 uC／0S—II相结合的平台具有比较强大 的处理能力，但在许多应用场合中仍显不足。在本文所介 绍的应用中，系统需要具有音频编解码功能。音频的编解 码方式包括软件编解码和硬件编解码。如果采用软件编 解码的方式，则对处理器的处理速度要求一般在 5O MIPS 以上，而 LPC2214的处理速度仅有 7O MIPS左右。显然 倘若采用这种方式，LPC2214处理能力将受到很大限制。 所以，采用专门的音频处理芯片来处理音频数据对该平台 来说是个正确的选择。这里选用一款性能优越的音频解 码芯 片——VS1003。 VS1003音频解码芯片为 VS10XX系列的第三代产 品，是 芬 兰 VLSI Solution Oy公 司 生产 的单 片 MP3／ WMA／MIDI解码和 ADPCM 编码芯片。它内部包含一 个高性能、低功耗的 DSP处理核(VSDSP)，一个工作内 存，一片可供用户程序使用 的 5．5 KB RAM，一个串行 SPI总线接 口，一个高质量的采样频率可调的过采样 DAC 以及一个 16位的过采样 ADC。VS1003的内部构造如图 1 所示 。 4-4- -j；喜 冬0刍厢 一J．． ⋯ 一一 ⋯ 一，rL 口j、 维普资讯 http://www.cqvip.com MIC allclio line MICAMP M 胱onolI H audio GPIO 2 SO SI SCLK xCS xDCS RX TX _．J GP10 串行 数据 控制 接口 UA盯 VSDSP 圆 圈 匿 图 1 VS1003系统框 图 音频 L 卜R 输出 3 VS1003控制的实现 VS1003通过一个工作于从模式的 SPI串行总线与主 机进行数据和控制信息的交流。音频数据通过串行数据 接口(SDI)传送；控制数据则通过串行控制接口(SCI)来传 送。控制数据总是为 16位 ，通过读／写不同的寄存器来实 现对 VS1003的控制。 VS1003的 SPI接口具有两种工作模式 ：VS1002新 模式和 VS1001兼容模式。设 置 SM—SDINEW 为 1，使 VS1003处 于 VS1002新模 式。当 SMSDISHARED为 0 时，控制信号和数据信号的传送分别采 用 xCS和 xDCS作 为 同 步 信 号；而 当 SMSDISHARED为 1时，共用 xCS作为 同步信号。设置 SM—SDINEw 为 0，使 VS1003处于 VS1001兼容模式，该模式 仅以 xCS作为同步信号。 作为从机工作模式，VS1003通过一 个信号线 DREQ指示是否允许主机传送 数据。当 DREQ为高时，VS1003至少可 以接收 32 KB的 SDI数据或者 SCI控制 命令。 在这里，以 VS1002新模式且 SMS— xCg DISHARED设置为 0为例介绍 VS1003 通信协议的实现。图 2描述 了 SDI工作 ⋯ 时序，它以 xDCS为 同步信号，随着时钟 sI 信号 DCI K 的 变 化，数 据 根 据 SCL— MODE的设置依次从高位或低位送出。 n SCI协议包括 1个控制指令字节、1 ． 个地址字节和 1个 16位数据字。每次读 DREQ ／写控制可以操作一个寄存器。读命令和 写命令分别为 0x03和0x02。这两种控制 命令的工作时序分别如图 3和图 4所示。 xDCS SD DcL I r-1几n r_1 f-]几几n几n几 图 2 SDI工作时序 _臣 4 电路 本设计最终要实现的目标是一款具有人机界面及数 据存储功能的工控手持设备，通过人机对话界面发送控制 命令来操纵 VS1003，以实现录放音功能。 4．1 硬件电路设计 VS1003的所有数据和控制命令均通过 SPI总线接口 实现，因此与 I PC2214的接 口实现比较简单 ，包括 3条 SPI数据线和 4条控制线，如图5所示。 4．2 软件设计 VS1003的控制软件设计，是在系统成功地移植 了 uC／OS—II操作系统以及 ZLGFS文件系统的条件下进行 的。具体软件设计中，首先对 LPC2214与 VS1003控制接 口的几个功能引脚进行相应的配置，然后使能 SPI并设置 其工作模式。此后，利用 uC／0S—II多任务的特点，建立 一 个专门的任务用于实现系统的录放音功能。在该任务 图3 SCI读命令工作时序 图 4 SCI写命令工作时序 nan r国mP nPt nm rn r|廿越击田、 ^：⋯ ⋯⋯l1⋯ R． —L JJ J c．．．～ 一 4 耐 一一～一一一一～ 5； 5i s 维普资讯 http://www.cqvip.com + 一 5V +3 _ 牛 ， = =1l 图 5 VS1003与 LPC2214接 口电路 创建完毕后，首先完成对 VS1003的初始化工作 ；然后任 务进入等待循环中，等待系统发出相应的控制指令。当该 任务接收到录音指令时，调用相应的录音功能函数启动录 音功能，并将录音数据写入指定的文件中；当接收到播放 功能指令时，调用播放功能函数，播放指定的音频文件；当 接收到中断指令时，将退出录放音功能 ，任务回到循环等 待中。该任务的具体实现函数如下： ／*RecordTask任务需要用到的一些全局变 量 *／ char*FileName； ／／声 明指 向录音文件的指针 char Record — Enable=0，Play — Enable=0； ／／声明开始录音和播放录音的标识 char Play — Pause=0，Play _ Stop= 0，Record — Stop= 0； ／／声 明录放音的一些控制标识 ／*用于实现录音和播放功能的任务 *／ void RecordTask(void *pdata)f OSTimeDly(OS _ TICKs_PER—SEC*5)； ／／延时一段 时间才启用该任务 1 OSAddFileDriver(SDCammand，NULL)； ， RecorderReset() while(1){ ／／~JIl载文件 系统驱 动函数 7 始化 VS1003 if(Record _ Enable){ record(FileName)； ／／启动录音功能，调用录音函数 Record_Enable一 0； } else if(Play — Enable){ playrecord(FileName)； ／／启动播放功能，调用播放函数 Play _ Enable一 0； ) OSTimeD1y(OS _ TICKs_PER—SEC)； ／／任务处于循环等待运行状态 pdata— pdata； ／／避免编译错误 D 4 6 羊专机．j；蛊入式条惋应国|圈__瞳圈硼 adv@mesnet ． COn％cn(广告专用) ● ]二_上∞ 维普资讯 http://www.cqvip.com 雎 图 8 串口通信程序 换成 AT89S51，就可以提供至少24路的PWM输出 (P0、 P1、P2)。 ④ 控制参数由 SCI串口输入，适应面广，上位机可以 图 9 其 中一路 PWM波形 ① PWM波形由外部振荡电路提供定时基准，与单片 机内部振荡器的频率无关，不影响串VI通信、定时器等参 数的配置。 ② PWM波形的调整精度可任意确定。 ③ 本设计思路可应用于任意多路 的 PWM 输出，只 要单片机能提供足够多的输出端 口，例如将 AT89C2051 是 PC机、单片机或是 PLC。 ⑤ 本方法具有一般性 ，任何单片机只要能提供 SCI 中断、外部中断就可以应用本方法。 编者注：本文为期刊缩略版 ，全文见本刊网站 WWW． mesnet．corn．cn。奠 参考文献 [1]求是科技．单片机典型模块设计实例导航．北京：人民邮电出 版社 ，2004． E2]利用单片机 PWM 信号进行舵机控制．WWW．vip998．corn／ Article／mcu／mcuyj／200603／237．htm1． (收稿 日期 ：2006—04—19) I 编者注：VSIO03的驱动程序以及相关录音和播放功 能程序见本刊网站 www．mesnet．corn．cn。 5 总 结 采用 VSIO03实现基于 LPC2214和 uC／OS—II的嵌入 式平台的音频编解码功能，接口电路简单，控制程序易于编 写，且最终音频播放清晰、自然。当然在具体设计中也曾遇 到一些需要注意的问题 ，例如要成功对 VSIO03进行初始 化，必须详细了解 VS1003的配置时序要求。特别要注意 的是，对不同寄存器配置完后，其等待处理周期有所不同， 若等待周期不够，则将使得配置无法正常完成。-E 参考文献 [1]周立功．ARM嵌入式系统基础教程．北京：北京航空航天大 学出版社 ，2005． [2]Labrosse J．ec／()s—II一 源码公开的实时嵌入式操作系 统．邵贝贝，译．北京：中国电力出版社，2002． [3]VLSI Solution Oy．VS1003一MP3／WMA AUDIO CODEC． VLSI Solution Oy，2005． (收稿 日期 ：2006—04—18) R j lJ．_j；喜 奋0刍厢 J．． ⋯ 一⋯ ～ t1-．土I：l：l、 维普资讯 http://www.cqvip.com