《DSP技术与应用》课程设计报告-基于DSP的MP3播放器设计.doc

淮阴工学院 dsp 技术及应用技术及应用课程设计报告课程设计报告 选题名称选题名称: 基于 dsp 的 mp3 播放器设计 系（院）系（院）: 计算机工程学院 专专 业业:计算机科学与技术(嵌入式系统软件设计) 班班 级级: 计算机 1073 班 姓姓 名名: 学学 号号: 指导教师指导教师: 学年学期学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期 2010年 6 月 12 日 摘要： 本次设计通过用一个能实现 mp3 播放功能的事系统的设计学习。我了解到了 dsp 应用中的编码转换显示，存储原理，静态扫描显示原理，dsp 的定时中断原理等， 从而达到学习、了解 dsp 相关指令在各方面的应用，让我们学到更多关于单片机方面 的知识。dsp 课程设计是数字信号处理和 dsp 原理与应用课程相结合的实践过程， 通过本课程设计，可以进一步领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、 基本原理以及基本的数字信号处理操作，进一步理解 dsp 芯片的硬件实现机理及其内 部结构特点，掌握 dsp 系统的开发流程和基本编程方法，实践工程的调试方法和仿真 方法。 使用专业的 mp3 解码芯片，辅以简单的外围电路实现。以通用数字信号处理器 (dsp,digital signal processor)为核心，搭建相应的外部电路形成一个系统，解码功能 通过对数字信号处理芯片编程来实现。这种方案中，使用一定开发环境进行软件的设 计实现和调试测试。为了满足解码系统的需求，需要根据性能和技术要求，对通用的 数字信号处理芯片进行外围电路扩充。基于此,本文提出了一种基于 dsp 的 mp3 播放 器的设计和实现方案。该 mp3 播放器基于 dsp 技术，采用慢速大容量外存加高速小 容量外存的组合方式，音乐文件先从慢速外存下载至高速外存再载入 dsp 的高速 ram，下载一部分处理一部分。采用与 pc 机的串口通信方式实现文件的下载速度较 慢，也可利用 usb 接口进行高速的通信。 关键词：dsp；mp3；控制；编码；解码； 目录目录 1 1 课题概要课题概要 1 1 1.1 硬件要求 1 1.2 软件要求 1 2 2 系统分析系统分析2 2 2.1 要达到的技术指标 2 2.2功能描述2 2.3 tms320c6711 dsp 芯片简介.3 3 3 设计方案设计方案4 4 3.1 设计方案概述 4 3.2 基于 dsp 的系统设计方案 .4 3.3 软件系统设计方案 5 4 4 系统整体框图系统整体框图 6 6 5 5 硬件电路设计硬件电路设计 6 6 5.15.1 单片机控制模块单片机控制模块 6 6 5.25.2 系统的系统的 pcbpcb 图图 9 9 总总 结结 1010 致致 谢谢 1111 参参 考考 文文 献献 1212 dsp 系统开发与应用工程实习报告 1 1 1 课题概要课题概要 1.1 硬件要求 预期的 mp3 播放器的目标系统硬件要求实现以下功能： a) 能够对 mp3 码流进行解码，从 mp3 格式恢复成 pcm 码流。系统应该能够保证 解码过程的正确性，并能够满足解码算法在实现过程中所需要的存储空间、计算速度 等需求； b) 能够存储一定量的 mp3 码流文件，供解码系统使用。在系统初步实现时，存 储的码流长度至少要保证能够从主观上感受到音频信号解码的效果； c) 能够把解码后输出的 pcm 码流通过扬声设备，如耳机、音箱等播放出来，这 样才能够从直观上判断解码的效果，并且方便后期在使用该系统方案时进行直观性能 评价和直接应用； d) 能够满足系统的功率要求。一般情况下，对于电子类便携式系统，或者嵌入 式应用方案来说，系统的功耗要比较低，用电池供电能够满足系统的工作需要。 1.21.2 软件要求软件要求 系统的软件应该能够实现以下功能： a) 能够从数据存储介质中读取 mp3 码流数据，要能保证数据读取的速度满足系 统的需要； b) 能够正确定位 mp3 文件数据的地址和文件长度，为后期进行歌曲选择打下基 础； c) 能够正确对 mp3 码流进行解码，并且以所需要的格式和方式输出。解码算 法要在目标系统中实现，因此，不但要保证算法的正确性，也要保证算法的适应 性，充分利用目标系统性能特性，并满足系统的运算速度要求； d) 能够正确协调硬件各个模块的工作，提供正确的芯片控制信号，这项软件功 能是专门针对硬件的，需要根据目标系统的硬件需求来设计实现 dsp 系统开发与应用工程实习报告 2 2系统系统分析分析 2.1 要达到的技术指标 序号技术指标参数 1内存2gb 2数据流速度64kb/s320kb/s 3谐波失真0.01% 4信噪比90db 5动态范围85db 6通道分离度80db 7录音格式adpcm 8录音数据流速率16kb/s-32kb/s 16、32kb/s 等（wav 格式）9解码功能 16、32、48、64、128kb/s 等（mp3 格式） 34mb/s（下载）10usb 接口 56mb/s（上传） 11音频输出功率（5-7.5）mw2 12电池aaa 型 1 节 13静态电流2ua 14待机电流30ma 15工作电流70ma 16录音取样频率8khz 图 2.1 mp3 播放器的基本技术指标 2.2 功能描述 序号功能当前状态操作结果 1播放待机、停 止 按 play 键顺序播放内存中的 mp3 歌曲 2随机播放播放按随机键mp3 中的歌曲随机播放 3重复播放播放重复按 repeat 键 普通播放单曲重复所有歌曲重 复普通播放 播放按 mode 键按一次设起点，再按一次设终点， 两点间循环播放 4循环播放 循环播放按 mode 键返回原播放 5 音场选择待机、播 放 重复按 eq 键普通（normal）古典 （classic）摇滚（rock）重 低音（bass）迪斯科（disco） 爵士（jazz）流行（pop） 普通（normal） 6音量控制播放按 vol+键声音增大 dsp 系统开发与应用工程实习报告 3 按 vol-键声音减小 播放按 rew 或 ff 键向前或向后搜索歌曲并播放7搜索 待机、停 止 按 rew 或 ff 键向前或向后搜索歌曲文件名 播放按 play 键暂停播放8暂停 暂停播放按 play 键恢复播放 9删除待机：选 定文件 按 del 键二次删除选定文件 待机、播 放 按 hold 键其他键失去作用10锁定 锁定按 hold 键取消锁定 11浏览停止按 rew 或 ff 键顺序显示存储器中的歌曲文件名 12停止播放按 stop 键停止 停止按“开关”键13关机 待机 n 分 钟 无 关机 图 2.2 mp3 播放器的功能描述 2.3 tms320c6711 dsp 芯片简介芯片简介 veloci 结构使 c6000 dsp 成为高性能的 dsp 芯片。典型的 vliw 结构由多个并行 运行的执行单元组成，这些单元在单个时钟周期内可执行多条指令。并行是突破传统 设计而获得高性能的关键。 c6711 处理器由三个主要部分组成:cpu 内核、外设和存储器。cpu 中 8 个功 能单元可以并行操作，这些功能单元被分成类似的两套，每套由 4 个基本功能单元组 成。cpu 有两组寄存器，每组寄存器由 16 个 32 位寄存器组成。由于在运行期间个做 硬件数据相关性的检查，所以程序的并行性在编译时就被确定。片内程序存储器的总 线宽度为 256 的，使每个周期可取 8 条 32 位指令。 c6711 芯片包括片内程序存储器和数据存储器，有些芯片将这些存储器作为高速 缓冲存储器。外设包括直接存储器访问(dma)、低功耗逻辑、外部存储器接口、串口、 扩展总线或主机口和定时器等。 具有以下特点： 1 运行速度快。指令周期为 6ns，峰值运算能力为 1336mips,对于单精度运算可 达 1g flops，对于算精度运算可达 250mflops. 2 硬件支持 ieee 格式的 32 位单精度与 64 为双精度浮点操作。 3 继承了 32*32bit 的乘法器，其结果可为 32 或 64bit. 4 c6711 的指令集在 c62 的指令集基础上增加了浮点执行能力，可以看作是 c62 dsp 系统开发与应用工程实习报告 4 指令集的超集。 与 c62 系列芯片一样，由于其出色的运算能力、高效的指令集、智能外设、大容 量的片内存储器和大范围的寻址能力，这个系列的芯片适合用于基站数字波束形成、 图像处理、语音识别等对运算能力和存储量有高要求的应用场合。 3 3设计方案设计方案 3.1 设计方案概述 为了能够设计和实现出较高性能的系统，需要了解当前的 mp3 解码器系统的实现 方案。市场调查和技术咨询的结果显示，目前 mp3 播放器系统 mp3 解码模块一般有两 种实现方案。 第一、使用专业的 mp3 解码芯片，辅以简单的外围电路实现。这种方案的优点是 系统个体集成度高，电路结构紧凑，实现相对比较简单，能够很快设计实现出目标系 统并投入使用，但是由于使用的是专业芯片，芯片中的功能模块即使能扩充，幅度和 范围都相对较小，系统很难进行算法升级或功能扩充，在嵌入式应用中与原系统的集 成度不高。 第二、以通用数字信号处理器(dsp,digital signal processor)为核心，搭建相 应的外部电路形成一个系统，解码功能通过对数字信号处理芯片编程来实现。这种方 案中，使用一定开发环境进行软件的设计实现和调试测试。为了满足解码系统的需求， 需要根据性能和技术要求，对通用的数字信号处理芯片进行外围电路扩充。这种方案 的优点是系统实现的灵活性高，功能的可扩展性强，系统成本可以通过对芯片的选择 控制到相对较低的水平，而且对于同样使用数字信号处理芯片实现的系统来说，能最 大程度地进行系统集成。但是由于整个系统从硬件到软件都需要自行设计和搭建，系 统实现的难度和复杂度比较高。 对于本系统设计采用方案二，即采用以 dsp 实现编解码的系统。 3.2 基于 dsp 的系统设计方案 mp3 解码器的解码算法完全由 dsp 芯片实现，其控制部分用单片机实现，作为硬件 电路设计的一个部分。电路的整体设计与开发需要综合考虑前面两部分程序算法接口 内容，可以在进行详细的程序设计的基础上进行。这样，可以把 mp3 解码器的开发工 作分为两大模块，即 mp3 解码程序 dsp 实现，即软件设计，以单片机控制程序和电路 dsp 系统开发与应用工程实习报告 5 板设计部分，即硬件设计。 mp3 系统开发从模块上可以划分为硬件开发和软件开发两个部分，软件主要实现 mp3 解码算法，单片机实现存储器访问控制，mp3 文件播放控制等功能。系统总体的 功能结构如图一所示。 硬件系统 mp3播放器系统 软件系统 主译码模块 控制模块 模拟音频模块 电源模块 dsp 子系统 控制 子系统 图 3-2 系统结构框图 3.3 软件系统设计方案 软件系统设计方案是用 dsp 软件实现 mp3 解码算法功能，并完成相应的接口访问 功能，软件功能图如图二所示。 键盘 用户接口 应用程序 flash 文件系统 hpi 驱动 通用 驱动 应用程序 hpi 驱动 mp3 解码 输出 均衡 d/a 控制子系统mp3子系统 dsp 系统开发与应用工程实习报告 6 图 3-3 mp3 解码器软件系统功能原理图 4 4 系统整体框图系统整体框图 mp3 解码算法要被用来实现数码 mp3 实时解码适配器，所以必须通过硬件实现其算 法。本系统以 dsp(tms320vc5416)作为解码的主要部分，还包括音频 d/a 转换，单片 机的控制模块，电源系统，存储器模块等组成，图三给出了系统框图。 dsp (mp3解码) mcbsp dma hpi 接 口 音频d/a转 换模块 电源模块 flash sdram at89c52 人机接 口模块 usb 接口 驱动 lcd 显示 耳机 基于dsp的mp3播放器框图 图 4-1 系统整体框图 5 5 硬件电路设计硬件电路设计 5.1 单片机控制模块 (1) usb 接口电路与控制 下面介绍以下 pdiusbd12 芯片。 dsp 系统开发与应用工程实习报告 7 图 5.11 pdiusbd12 芯片引脚 d0d7:双向 8 位数据线。 ale: 地址锁存使能信号。 clkout：可编程时钟输出。 /int: pdiusbd12 中断输出。 d-: usb d-数据线。 d+: usb d+数据线。 pdiusbd12 适应于不同类型的设备，有四种不同的模式：非同步传输，同步输出传输， 同步输入传输，同步输出/输入传输。共有 3 各端点，分别为端点 0，端点 1 和端点 2。端点是一个 usb 设备唯一可以确认的部分，它是主机和设备之间的通信流终点。 每一个 usb 逻辑设备都包括一个端点集合，pc 机应用软件只能通过一个或多个端点与 一个 usb 设备通信。在设备接入时，每个逻辑设备都有一个由系统分配的唯一地址， 而一个设备上的任一个端点都有一个有设备确定的唯一的标识和端点号，利用设备的 地址和端点号就可以唯一指定任一个端点。 所有的 usb 设备都要拥有端点 0，它总是在设备一经接入和上电时就进行配置。该端 点用于对一个逻辑设备进行初始化和一般的操作。端点 0 支持控制传输，通过它访问 一般的 usb 状态和控制操作。 除了端点 0 外，功能设备还具有其他端点，如 pdiusbd12 的端点 1 和端点 2.低速功能 设备有两个端点可供选择，而一个全速设备最多可以有 16 个输入端点和 16 个输出端 点。 dsp 系统开发与应用工程实习报告 8 （2） 单片机与键盘控制 单片机采用 80c52 芯片，实现按键管理，及 usb 控制。 s2 sw-pb 1k r29 res2 0.01uf c30 cap 1k r30 res2 0.01uf c31 cap s3 sw-pb 1k r31 res2 0.01uf c32 cap s4 sw-pb 1k r32 res2 0.01uf c33 cap s1 sw-pb s6 sw-pb 1k r33 res2 0.01uf c34 cap 1k r34 res2 0.01uf c35 cap s7 sw-pb 1k r35 res2 0.01uf c36 cap s8 sw-pb 1k r36 res2 0.01uf c37 cap s5 sw-pb p1.5 1 p1.6 2 p1.7 3 rst 4 p3.0/rxd 5 nic 6 p3.1/txd 7 p3.2/int0 8 p3.3/int1 9 p3.4/t0 10 p3.5/t1 11 p3.6/wr 12 p3.7/rd 13 xtal2 14 xtal1 15 vss 16 nic 17 p2.0/a8 18 p2.1/a9 19 p2.2/a10 20 p2.3/a11 21 p2.4/a12 22 p2.5/a13 23 p2.6/a14 24 p2.7/a15 25 psen 26 ale 27 nic 28 ea/vpp 29 p0.7/ad7 30 p0.6/ad6 31 p0.5/ad5 32 p0.4/ad4 33 p0.3/ad3 34 p0.2/ad2 35 p0.1/ad1 36 p0.0/ad0 37 vcc 38 nic 39 p1.0/t2 40 p1.1/t2ex 41 p1.2 42 p1.3 43 p1.4 44 u16 p80c52sfbb 1k r38 res2 1k r37res2 1k r39 res2 1k r40 res2 12 y2 xtal 0.01uf c41 cap 0.01uf c42 cap gnd gnd 5v 5v d2 7 o1 5 o3 9 gnd 10 o5 15 d3 8 o4 12 o7 19 d0 3 d7 18 d5 14 o0 2 d4 13 d1 4 vcc 20 d6 17 oe 1 o2 6 le 11 o6 16 u17 sn74ls373dw ale ad0 ad1 ad2 ad3 ad4 ad5 ad6 ad7 ad0 ad1 ad2 ad3 ad4 ad5 ad6 ad7 a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 a11 a12 a13 a14 a15 ale gnd 5v gnd (7)dsp a0.15 12 y1 xtal 0.01uf c38 cap 0.01uf c39 cap d0 1 d1 2 d2 3 d3 4 gnd 5 d4 6 d5 7 d6 8 d7 9 ale 10 /cs 11 suspebd 12 clkout 13 /int 14 /rd 15 /wr 16 dm req 17 /dm ack 18 /eot 19 /reset 20 /gl 21 xtal1 22 xtal2 23 vdd 24 d- 25 d+ 26 vout3v3 27 a0 28 u18 pdiusbd12 /rd /wr 1k r43 res2 d5 led0 5v 2.2uf c40 cap pol1 5v vbus gnd 5v d12rst gnd 5v 3.3v ale d12cs 1k r42 res2 5v /int0 vbus d- d+ gnd shield p2 usb 10m h l1 inductor 10m h l2 inductor 10m h l3 inductor 10m h l4 inductor gnd 1k r44 res2 1k r45 res2 1k r46 res2 1k r47 res2 3.3v gnd d12dm d12dp vbus 1k r41 res2 gnd 5v /rd /wr d12cs d12rst /int0 /int1 rst 1k r27 res2 s9 sw-pb 5v gnd rst 1k r28 res2 gnd 图 5.12 usb,键盘和单片机接口电路 dsp 系统开发与应用工程实习报告 9 5.25.2 系统的系统的 pcbpcb 图图 图 5.2 系统生成的.pcb dsp 系统开发与应用工程实习报告 10 总总 结结 这是一个磨练意志的过程。从课题的选择开始，到硬件和软件系统的设计，这其 中经历了很多困难，但是更重要的是在这个过程中我得到了很大的锻炼。通过这周的 dsp 课程设计加深了对 tms320c54x 的了解，对 dsp 这门课的认识进一步加深了。从一 个刚入门的学习者,渐渐的爱上了这门技术，虽然说对于 dsp 技术方面的知识还有很 多要学习和提高，但是在这周我还是感受到这门课程的魅力所在。我学会了 protel 电路板的绘图操作，并通过上网搜索资料，查阅课本及课外书籍，对电路各部分组成 器件的工作原理加深了解。学会了仿真环境使用方法，动手设计电路组成器件以及器 件之间的布局与连接，加强了动手能力。一方面通过 tms320c54x 等一些器件的设计 让我学习和掌握了 dsp 技术的基础知识和技术要点，也使以前学的很多知识都得到了 运用；另一方面在用 protel 99 se 软件画电路图,这个过程中让我掌握了计算机辅助 的设计技术。当然，这是一个需要不断的尝试，不断的校核，不断的修改，最后完成 一个合理的设计的过程。需要的是细心和耐心。这在很大程度上锻炼了我的思考能力 和动手能力，避免了以往的抄袭和偷懒的行为，凡是都是自己亲力亲为，这样就可以 将自己以前不懂的、一知半解的全部解决。但在老师和同学的帮助下经过两个星期的 不停设计，终于把 dsp 芯片 mp3 播放器的控制电路电路原理图完成了。经过这次课程 设计，极大的提高了我的独立思考分析问题的能力，同时激发了我对这方面的兴趣。 这次课程设计，让我学到很多有用的知识和加强了能力，让我知道了 dsp 芯片在整个 mp3 播放器电路中的作用以及各部分电路的原理。当然也发现自己很多不足之处，尤 其在理论与实践环节中脱节。也体会到其实自己想到了并不一定是自己能轻易做到的， 凡是都有靠自己的不断实践，进而将自己的实践水平不断提高到相应的理论水平来。 当然自己的理论水平还不够，还得努力加强。这次课程设计让我明白其实动手操作是 以巩固的理论知识为基础的，因为这要求我更加努力的学会书本上的知识。在做设计 的过程中总会出现各种问题，在这种情况下我们都会努