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1、开题报告WAV音频播放器设计基于Kinetis K20姓名范鹏专业电气工程及其自动化毕业院校北华大学所属部门工程技术支持中心指导工程师汤维武提交时间2014年2月20日目 录1. 项目概述11.1项目背景11.2项目意义11.3功能简介12. 技术指标22.1主要技术指标22.2作品可行性分析22.2.1经济可行性分析22.2.2操作可行性分析22.2.3技术可行性分析23. 方案论证33.1播放器设计方案分析33.2微控制器MCU选型33.2.1基于M0+内核的LPC1113方案33.2.2基于M4内核的K20P64M72方案33.2.3基于AM9内核的S3C2440A方案43.2.4总结4
2、3.3存储介质的选择53.3.1Nor Flash简要介绍53.3.2Nand Flash简要介绍53.3.3SD卡简要介绍63.3.4U盘简要介绍73.3.5总结73.4文件系统的选择73.4.1FTAFS简要介绍73.4.2FTA32简要介绍83.4.3NTFS简要介绍83.4.4总结83.5音频解码与输出83.5.1VS1003方案83.5.2UDA1334方案93.5.3AD1853方案93.5.4总结93.6人机交互103.6.1人机输入接口103.6.2人机输出接口104. 最终方案设计125. 进度安排136. 参考资料147. 文档撰写分工151. 项目概述1.1 项目背景随着
3、信息化、智能化、网络化的发展，以嵌入式系统为核心的消费电子和通讯产品已经成为未来的发展趋势。各种各样的新型嵌入式设备在应用数量上已经远远超过通用计算机。嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、商业文化及人们的日常生活的方方面面中。在嵌入式技术快速发展的同时，数字音频技术发展也取得了长足进步，人们对多媒体应用需求的不断增加，同时也对音频服务质量的期望不断提升，音频编解码技术越来越多的受到重视。但这些数字化信号的信息量极大，巨大的数据量存储和传输带来的压力，是音频信号数字化之后面临的一个不容忽视的问题。在音频数据编码方面，因为涉及到大量的数学计算，MP3解码器的结构越来越复杂，所以
4、对其处理器与内存的要求也越来越高。因此最关键的，也是最需要解决的问题就是怎样提高MP3的工作速度和如何提高它的音质水平。本次设计的出发点为研究数字音频技术在嵌入式系统中的应用，结合数字音频和嵌入式系统这两个前沿技术，设计一个基于嵌入式系统的数字音频播放器。1.2 项目意义毕业设计是对大学四年所学知识的总结并应用，在完成作品的过程中，遇到问题积极主动思考，并解决问题，能够曾强自身对知识的理解，这也将为以后找到好的工作打下基础。因此设计音频播放器这样涉及知识面广、综合性强的作品十分必要。尽管现有音频播放器的产品已经很成熟，开发出一个音频播放器的商机不大，但是音频播放器所涉及的领域包括数字电子、模拟
5、电子、音频解码、嵌入式系统等众多方面，通过设计音频播放器，提出解决问题的方案，培养了知识综合应用能力和实践动手能力，对于学习USB协议、音频解码、软件架构等知识也有众多益处。1.3 功能简介本次设计完成的音频播放器以飞思卡尔Kinetis系列K20为控制核心，具有的主要功能如下：l 能够支持多种格式的音频文件，如常见的WAV、MP3等；l 具有暂停、播放等按键控制功能；l 具有歌词、音频信息显示等功能；l 具有USB下载功能；l 具有SD卡存储功能；l 具有简单人机交互。2. 技术指标2.1 主要技术指标基于Kinetis系列K20的WAV音频播放器的主要技术指标如下：l 采用K20作为主控制
6、器；l 支持USB下载音频文件；l 支持SD卡的文件存储；l 支持WAV格式音频播放；l 简单的人机交互界面；l 支持MP3格式音频播放。2.2 作品可行性分析2.2.1 经济可行性分析本系统的开发用到的外围芯片相对较少，多数由微控制器内部集成。所应用的开发工具和软件也多数免费。由此可见，完成音频播放器在经济上完全可行。2.2.2 操作可行性分析WAV音频播放器与市面出售的MP3、MP4等产品，功能和使用上基本一样，差别仅在于外形设计等方面。作品完成之后将撰写详细的设计报告和功能说明，并配置友好的用户界面，相信会方便掌握操作。由此可见，完成音频播放器在操作上完全可行。2.2.3 技术可行性分析
7、音频播放器的设计涉及的知识面比较广泛，主要有USB协议、SD卡、文件系统、音频解码等等，具有一定难度，可能会花费一些时间。但是，目前嵌入式系统发展迅速，音频播放器所涉及的知识和芯片资料相当丰富。利用自己大学积累的嵌入式设计知识，并且通过导师的指导，相信会提交一份完美的音频播放器作品。由此可见，完成音频播放器在技术上完全可行。3. 方案论证3.1 播放器设计方案分析本次设计播放器须达到的具体要求：首先需通过PC机USB端口向存储器中传输音频文件，用人机输入接口控制读存储器中已存在的音频文件，经音频解码芯片解码后向外部设备耳机输入高质模拟音频信号，实现播放音乐。与此同时，人机交互GUI模块实现内部
8、存储文件和当前文件的信息显示，并对人机输入接口功能做出提示。系统结构如图3.1所示。图3.1 系统整体结构图3.2 微控制器MCU选型毕业设计微处理器的选择不仅对作品质量、功能、复杂程度上有影响，对毕业正式工作的方向和未来发展也会具有一定影响，因此MCU的选择至关重要。对于音频播放器，后期需要音频解码芯片对音频文件进行解码，会进行大量的数据运算，这就对控制器的性能有较高的要求。同时考虑到自身对微控制器的熟悉程度和作品的低功耗、经济实用、高性价比等特点，所以对MCU选型进行了分析了解。3.2.1 基于M0+内核的LPC1113方案LPC1113是基于ARMCortex-M0的微控制器，可用于高集
9、成度和低功耗的嵌入式产品。ARMCortex-M0是第二代内核，它提供了一个简单的指令集，可以实现确定性行为。LPC1113的CPU频率可以达到50MHz，它的外设包括：24KB的Flash，8KB的数据存储器、一个I2C接口等。用基于ARMCortex-M0内核的LPC1113微控制器制作WAV音频播放器，需要增加，USB控制芯片、LCD驱动器、音频解码芯片等，LPC1113微控制器内部集成度较小，要做更多的外围设计工作。这样要完成基于LPC1113的音频播放器不仅需要在程序移植和模块测试等方面花费时间，同样硬件接口设计方面也需要更多精力。3.2.2 基于M4内核的K20P64M72方案K2
10、0P64M72SF1RM是基于ARMCortex-M4的微控制器，用以满足需要有效且易于使用控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。其高效的信号处理功能与Cortex-M处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合，旨在满足专门面向电动机控制、电源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案。K20P64M72SF1RM的CPU频率可以达到72MHz，内部集成各种通信接口模块，包括串行外围接口模块SPI、通用串行总线模块USB等具体外部资源如表3.1。低功耗方面，它具有全静态的“等待”和“停止”两种模式，从总体上降低了功耗。表3.1 Kinetis系列K20资源外设名称说明1
11、GPIO支持PA、PB、PC、PD、PE端口，可配置输入输出和多种工作模式3定时器提供定时、计数、捕获外部事件、匹配输出等功能。具有事件中断触、发复位等，8路电机控制/PWM定时，实时时钟配置5外部中断每个引脚都可以配置外部中断，可任意配置触发极性和边沿6UART3个UART口的通用串行通信功能7I2C2个I2C8SSP/SPISPI9ADC16位ADC、差分或单端、自动比较功能可配置的精度、采样时间、采样速度和功耗10DAC12位DAC、硬件或软件触发11USB全速/低速USB OTG12I2SI2S基于ARMCortex-M4内核的K20P64M72SF1RM微控制器制作WAV音频播放器，
12、需要增加的外围模块仅为音频解码芯片，外围电路相对简单。可以更多的集中精力进行软件移植和测试。3.2.3 基于AM9内核的S3C2440A方案S3C2440A是基于AM9内核的微处理器，ARM9微处理器作为ARM系列中的一员，表现更为突出，它具有如下特点：l 5级整数流水线，指令执行效率高；l 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构；l 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集；l 支持32位高速AMBA总线接口；l 全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统；l MCU支持实时操作系统；l 支持Cache和指令Cache，具有更高的指令和数
13、据处理能力。基于AM9内核的S3C2440A处理器制作WAV音频播放器，其外围所需要的模块仅为音频编码芯片，系统结构组成简单，便于开发。处理器具有优越的处理速度，S3C2440A其主频就可达400MHz，为解码提供了足够的速度，同时也为作品功能扩展提供了更多可能。但是软件移植的工作量相对较大，由于进度安排不利于此次作品设计。3.2.4 总结此次设计音频播放器需要支持USB下载、SD卡存储、人机交互等功能，为了简化外围电路设计，提高数据处理速度，微控制器必须内部集成USB控制器、SPI、I2S等功能模块。并且考虑到避免不必要的资源浪费，通过对不同控制核心进行对比如表3.2，最终选择K20P64M
14、72SF1RM作为主控制器。表3.2 微控制器对比控制方案主频速度功耗软件复杂度外围复杂度LPC111350MHz中简单复杂K20P64M72SF1RM72MHz低简单简单S3C2440A400MHz中复杂简单K20P64M72SF1RM属于Kinetis子系列，是基于ARM Cortex-M4内核的微控制器，它具有丰富的外设资源，具备开发一个具有USB功能的音频播放器。其主频也可达72MHz，能够满足音频解码和文件处理的要求。3.3 存储介质的选择常用使用的存储介质主要包含以下几种：Nor Flash、Nand Flash、SD卡和U盘等。下面我们就这几种存储媒介进行分别介绍。3.3.1 N
15、or Flash简要介绍Nor Flash的特点是芯片内部执行（XIP，execute in place）。虽然Nor Flash写入和擦除的速度比较慢，但是其读取数据速度很快。Nor Flash在14MB的小容量时具有很高的成本效益。Nor Flash根据数据传输的位数可以分为并行（Parallel）Nor Flash和串行（SPI）Nor Flash。SPI Nor Flash每次传输1bit位数据，Parallel Nor Flash每次传输多个bit位（分为8bit和16bit两种）的数据。SPI Nor Flash比Parallel Nor Flash便宜，接口简单一些，但是速度慢一
16、些。SPI Nor Flash引脚数量少，使用灵活，它比较适合做代码下载应用。Nor flash的特点归纳如下：l Nor Flash的容量较小；l Nor Flash的写入和擦除速度慢，但是读取速度很快；l Nor Flash接口灵活。3.3.2 Nand Flash简要介绍Nand Flash的特点其内部采用非线性宏单元模块，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效地解决方案。Nand Flash具有极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，适用于大量数据的存储，因而在嵌入式产品中得到了越来越广泛的应用，如数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。Nand Flas
17、h以块为单位进行读和写操作，所以基于Nand Flash的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。SD卡和U盘这类的存储设备大多是基于Nand Flash的。Nand Flash闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，且典型的Nand Flash的块尺寸要比Nor Flash器件小8倍，可见Nand Flash在耐用性和可靠性上是具有优势的。Nand Flash中会存在随机分布的坏块，Nand Flash器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块通过可靠的方法标记为不可用，然后进行地址虚拟映射，否则将会导致高的故障率。应用Nand Flash的困难在于Nand Flash的管理需要特殊的系统接口
18、。概括地讲，Nand flash有以下几个特点：l Nand Flash的容量大；l Nand Flash的传输速度快；l Nand Flash中存在坏块，需要进行坏块管理；l Nand Flash芯片的体积小。3.3.3 SD卡简要介绍图3.2 SD卡如图3.2所示，SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件，SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式。SD卡具有大容量、高性能、安全等多种特点的多功能存储卡。SD卡的工作模式分为两种：SDIO模式和SPI模式。SDIO模式又分为1Bit模
19、式和4Bit模式，最多可以4线传输数据，因此速度较快。由于SD卡的普及，越来越多的MCU内部集成了SDIO控制器，简化了我们的工作。SD卡的SD总线接口模型如图3.3所示。图3.3 SD卡SD总线模式示意图SPI属于串行工作模式，速度相对较低，但是使用方便，只要MCU含有SPI接口均可使用。由于SPI总线比较简单，这里不多做陈述。SD卡SPI总线模式示意图如图3.4所示。图3.4 SD卡SPI总线模式示意图通过对以上两种模式进行对比可得知SD卡工作在SDIO模式下时，速度要比工作在SPI模式下快。因为项目要求SD卡数据传输速度越高越好，因此采用SDIO模式来操作SD卡。SD卡有以下几个特点：l
20、 SD卡的容量大；l SD卡的数据传输速度快；l SD卡的数据安全性好；l SD卡的体积很小；l SD卡的接口很灵活。3.3.4 U盘简要介绍U盘即USB盘的谐音称呼。U盘是闪存的一种，因此也叫闪盘。U盘的出现，为在没有局域网相连的电脑之间进行较大数据或文件交换提供了极大地便利。U盘有以下特点：l U盘的容量大，最低的容量为32M，相当于23张软盘；l U盘的传输速度快；l U盘的稳定性好，在数据安全上有很大的改善；l U盘的便携性极佳，可以装在口袋里，也可以串在钥匙链上；l U盘的访问需要一个USB控制器。3.3.5 总结根据以上四种存储介质的性能列出表3.3。表3.3 存储媒介性能比较存储
21、介质存储密度读取速度擦除和写入速度存储管理Nor Flash低很快慢易Nand Flash高快快困难SD卡高快快易U盘高快快需要USB接口通过对表3.3进行综合对比分析，最终决定采用SD卡作为存储媒介。3.4 文件系统的选择目前应用最多的文件系统主要为微软公司的FAT32、FATFS、NTFS等。3.4.1 FTAFS简要介绍FATFS Module是一个专门为小型嵌入式系统设计的通用FAT(File Allocation Table)文件系统模块。FATFS的编写遵循ANSI C，所以具有良好的硬件平台独立性。FATFS可以被嵌入到低成本的微控制器中，如AVR、8051、PIC、ARM、Z8
22、0等等，只需要做简单的修改。FATFS以其容易移植和使用、占用硬件资源相对较小而且功能又强大，在当前消费类电子产品中得到了广泛的应用。FATFS的特征如下：l FATFS文件系统兼容FAT16和FAT32；l FATFS文件系统的一直很方便；l FATFS文件系统适合小型嵌入式系统。3.4.2 FTA32简要介绍FAT32是在FAT16基础上发展而来，可以被大多数操作系统支持，FAT32比FAT16更有效地利用了硬盘空间，并且最大分区的上限已经达到了32GB。这种文件系统也有缺点，那就是采用FAT32格式分区的磁盘，由于文件分配表的扩大，其运行速度比采用FAT16格式分区的磁盘速度慢。FAT3
23、2的特征如下：l FAT32文件系统磁盘利用率高；l FAT32文件系统运行速度稍差；l FAT32文件系统兼容性好；l FAT32文件系统分区上限大。3.4.3 NTFS简要介绍NTFS是WindowsNT引入的新型文件系统，它是建立在保护文件和目录数据基础上，同时照顾节省存储资源、减少磁盘占用量的一种先进的文件系统。这种文件系统显著的优点是安全性和稳定性极其出色，其主要缺点是兼容性差。NTFS的特征如下：l NTFS文件系统磁盘利用率高；l NTFS文件系统安全性和稳定性好；l NTFS文件系统硬件开销大；l NTFS文件系统兼容性差。3.4.4 总结根据以上三种文件系统的性能列出表3.4
24、。表3.4 文件系统性能比较文件系统磁盘利用率最大分区容量占用硬件资源兼容性FATFS高32G小好FAT32高32G大好NTFS高2T大差根据表3.4，本设计采用FATFS。3.5 音频解码与输出音频解码与输出是音频播放器的基本功能，好的方案不仅可以简化电路和程序设计，而且对播放器的音质水平有重要影响。以下三种方案均能达到基本要求，为选出最佳设计方案，下面分别进行论证。3.5.1 VS1003方案本方案采用专用音频解码芯片VS1003进行音频解码与输出。VS1003是单片集成音频解码器，且能进行ADPCM编码。VS1003配备有高性能低功耗的DSP处理器，拥有5KB的指令RAM和0.5KB的数
25、据RAM，使用简单的串行控制接口和数据接口，完全胜任常见音频格式的解码工作。本方案结构简单，单片VS1003就可以实现音频解码、滤波、功率放大，外围电路少，程序设计简单，音质较好。MCU通过SPI接口传送音频数据并可控制输出音量等。本方案的组成结构如图3.5所示。图3.5 VS1003音频解码方案3.5.2 UDA1334方案本方案利用MCU对音频文件进行软件解码，解码后的数据通过I2S接口传送给音频DAC UDA1334。软件解码方式可以实现对WAV文件的解码，但由于MCU的运算速度有限，难以实现MP3、WMA等音频格式的解码。UDA1334是低功耗音频DAC，最高可支持24bit采样的音频
26、数据，它内部集成滤波器、DAC、功率放大器，支持低音增强，电路简单，音质较好。UDA1334无音量控制功能。其组成结构如图3.6所示。图3.6 UDA1334音频解码方案3.5.3 AD1853方案本方案同样利用MCU对音频文件进行软件解码，所以本方案也难以实现MP3、WMA等音频格式的解码。MCU解码后的数据通过I2S接口传送给音频DAC AD1853进行播放和输出。AD1853属于高档音频DAC，左右声道采用平衡式电流输出，极大的降低了环境对输出信号线的干扰，输出信噪比高达117dB。AD1853的控制功能如音量调节须另外通过SPI接口实现。由于AD1853为电流输出方式，应用时需外加I/
27、V变换电路和功率放大电路，为满足音质要求，平衡LPF滤波电路和平衡/非平衡转换电路也必不可少。其组成结构如图3.7所示。图3.7 AD1853音频解码方案3.5.4 总结以上三个方案，各自特性归纳如表3.5所示。表3.5 方案对比方案解码方式DAC接口支持的音频格式音质音量调节方式电路复杂程度VS1003方案VS1003硬解VS1003集成SPIMP3/WMA/WAV较好程序控制简单UDA1334方案MCU软解UDA1334集成I2SWAV，其他格式难以支持较好模拟电路简单AD1853方案MCU软解AD1853I2S+SPIWAV，其他格式难以支持很好程序控制复杂综合以上三个方案，VS1003
28、方案能支持更多的音频格式，电路简单，输出音质能满足大多数情况的要求，可行性高，故选择VS1003方案。3.6 人机交互人机界面是人机交互的重要途径，好的人机界面设计能给用户带来更好的体验，提升播放器的实用性。人机接口主要包含人机输入接口和人机输出接口。3.6.1 人机输入接口人机输入接口是用户进行信息输入的基本途径，设计合理的人机输入接口使得播放器操作便捷、舒适，并能更好地发挥播放器的性能。人机输入接口主要包括：l 触摸按键；l 机械按键；l PS2键盘；l 遥控器。这几种人机输入接口的特点如表3.6所示：表3.6 人机输入接口对比人机输入接口电路复杂程度程序复杂程度使用寿命成本体积触摸按键复
29、杂，需要专用电路简单很长高小机械按键简单简单较长低小PS2键盘一般，但需要专用接口复杂，须使用PS2协议较长高很大遥控器一般，但需要接收器一般，须使用解码程序较长较高较大摇控器适用于有距离间隔的场合，PS2键盘体积过大，均不适合在音频播放器上使用；触摸按键虽然使用寿命长，但需要专用控制电路，成本也较高；优质的机械按键已经能满足播放器的要求，且电路和程序都比较简单，故选择机械按键作为人机输入接口。3.6.2 人机输出接口显示屏是播放器信息输出的重要途径，主要用来显示文件信息、播放列表、播放进度等信息。可选的显示屏有：l 单色LCD屏l 彩色LCD屏；l 单色OLED屏；l 彩色OLED屏。四种显
30、示屏各自的特点如表3.7所示。表3.7 显示屏对比显示屏分辨率接口显示效果程序复杂程度功耗成本单色LCD屏低串行口较差简单低很低彩色LCD屏高并行口较好复杂高高单色OLED屏低串行口一般简单很低较低彩色OLED屏低并行口很好复杂较低很高由于播放器须显示的内容不多，采用较低分辨率的单色屏即可满足要求，综合考虑功耗、显示效果和成本，本系统选择单色屏作为人机输出接口。4. 最终方案设计通过以上多个方案对比分析，本音频播放器的最终方案设计如表4.1所示。表4.1 系统最终方案设计MCU存储介质文件系统解码器显示屏输入方式K20P64M72SF1RMSD卡FATFSVS1003128x64 OLED机械
31、按键本次设计最终选择K20P64M72SF1RM作为主控制芯片，通过USB接口从PC机下载WAV、MP3、WMA等格式的数字音频文件，经由FATFS文件系统存储于SD卡上。通过按键和OLED显示屏，用户可以查看和播放SD卡上的音频文件。播放音频时，主控芯片K20从SD卡读取相应的文件内容，通过SPI接口送入解码器VS1003进行解码播放。本系统组成如图4.1所示。图4.1 系统最终方案设计本方案整体硬件设计相对简单，主要工作集中在软件移植和设计方面，如USB通信协议的建立、文件系统移植、GUI程序设计等。本方案中某些部分还有改进和提升的空间，例如增加录音、回放等功能，采用真彩LCD做出更加丰富
32、美观的界面等，所以后期对各个功能模块的优化提升也将是本次设计的重要内容。5. 进度安排毕业设计时间进度安排如表5.1所示。表5.1 毕业设计时间安排序 号设计（论文）各阶段名称时间节点备 注1选题结束，完成资料查阅工作2014.2.162完成开题报告2014.2.172014.2.203完成USB模块、SD卡模块和音频解码模块的驱动程序测试2014.2.202014.3.104完成USB模块、SD卡模块和音频解码模块的应用程序测试2014.3.102014.3.155完成系统软件和硬件的联调2014.3.152014.4.156整理论文并准备毕业答辩2014.4.156. 参考资料1 周立功A
33、RM与嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社，20042 萧世文，宋延情USB2.0硬件设计（第二版）清华大学出版社，20063 TanHsuTan，ChingSu Chang，YungFa Huang，et alDevelopment of a portable Linux-based ECG measurement and monitoring systemJ，Journal of medical systems，2011(4)4 Zheng xiangCombining the Product of Interactive Multimedia Creator with MPE
34、G4 TechnologyIEEE Computer Society，2004 AprVolume 5 夏碧瑜，刘光昌MPEG4便携式媒体播放器的设计与实现J，中国有线电视，20056 刘洋数字多媒体适配器GUI的研究与实现：硕士学位论文武汉：华中科技大学图书馆，20057 Jean J，Labrosse著嵌入式实时操作系统C/OS-IIM邵贝贝译北京：北京航空航天大学出版社，20038 张天益MP3播放器的设计J，今日电子，2006（12）9 李军便携式MP3播放器的方案分析及其技术研究J，电声技术10 吴明辉基于ARM的嵌入式系统开发与应用M北京人民邮电出版社，20047. 文档撰写分工表7.1 文档撰写分工姓名章节负责内容范鹏1项目概述2技术指标3.2微控制器MCU选型4最终方案设计5进度安排6参考资料张海堑3.3存储介质的选择3.4文件系统的选择刘洋3.5音频解码与输出3.6人机交互4最终方案设计
