（信号与信息处理专业论文）基于arm的车载播放器的设计.pdf

摘要 摘要 近年来，随着科技和半导体工艺的进步，嵌入式技术得到了飞速的发展。随 着嵌入式的飞速发展，汽车工业得到了蓬勃发展，汽车性能极大改善，也使得消 费者期待在自己的汽车中得到与便携式设备和家庭娱乐设备相同体验的想法得以 现实。与此同时，随着以m p 3 音乐格式为主的压缩音频借助互联网的迅猛增长， 它已经不只限于家庭和便携式设备市场，正迅速进入汽车行业。压缩音频、互联 网、汽车产业三者之间出现一个完美的结合点：车载音频播放器( 车载m p 3 ) 。 本文所研究的内容正是从汽车娱乐、压缩音频以及功能扩展几方面考虑，提 出了一种基于3 2 位微处理器的车载音乐播放器的设计方案，使m p 3 、w m a 、a a c 等压缩格式的音乐文件能非常方便的通过汽车音响欣赏。该方案采用全固态设计。 用户可通过u s b 接口选择下载a a c 、m p 3 、w m a 、m i d i 等格式的音乐文件到系 统的s d 卡中，再通过解码、数模转换、放大后，送入音频发射芯片发射，从而实 现网上数码音乐与汽车音响的互连。 论文主要内容有以下几个方面： 1 概述嵌入式系统的特点、发展趋势并介绍了汽车嵌入式系统发展历程； 2 概述车载播放器的发展历程及特点，对车载播放器的工作原理进行了分析， 阐述车载m p 3 播放器流行原因； 3 在分析现有常用车载播放器的优缺点基础上，针对目前我们车载播放器的 现状，提出一套基于a r m 7 的车载播放系统的设计方案，此方案实现了播放器的 一体化、g 量化、整合化的趋势； 4 根据提出的方案，确定实现此方案的硬件平台，并重点叙述了硬件平台中 各个功能模块的实现电路，主要包括6 大模块：控制模块、存储模块、解码模块、 收音模块、发射模块以及显示模块； 5 介绍本系统中各个功能模块的应用程序的设计思路或流程。包括：播放功 能、u s b 下载功能、显示功能、f m 收音功能等： 6 结合设计的硬件电路与编写的软件，进行系统的硬、软件联调，现实预定 摘要 的功能并完成系统性能测试。 本文提出的设计方案在几乎不用改装汽车内部装置的前提下，为汽车加入了 新的娱乐功能。即保证了汽车的使用寿命，又加入了新的功能。在理论上可行， 也符合市场发展的需要。同时由于采用高性能的a r m 处理器，系统可方便进行功 能扩展，可见该设计方案有一定的发展前景。 关键词：嵌入式，文件系统，车载播放器，a r m ，l p c 2 1 4 8 a b s t r a c t hr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ep r o g r c s so fs c i e n c ea n ds e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yh a so b t a i n e dt h er a p i dd e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h e s e t e c h n o l o g i e s ，t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya l s og a i ng r e a tp “ g 嘲s t h ea u t o m o b i l e p e r f o r m a n c ea r ee n o r m o u s l yi m p r o v e d , w h i c he n a b l e st h ec e n s i l r f l e l s d r e a mo fg e t t i n g t h es a m ee x p e r i e n c ew h e nt h e yr r ei no w l la u t o m o b i l ew i mt h ep o r t a b l ee q u i p m e n ta s t h e yg e tw h e nt l l e ya r el i s t e n i n gt ot h ef a m i l ye n t e r t a i n i n ge q u i p m e n tc o m et r u e a tt h es a m et i m e , t h ec e m p r e s s e da u d i of i l e f o r m a t , e s p e c i a l l yt h em p 3i s b e c o m i n ge x t r e m e l yp o p u l a ro nt h ei n t e m e t i t sp o p n l a r i t yi sn o to n l yl i m i t e dt of a m i l y a n dp o r t a b l ee n t e r t a i n i n ge q u i p m e n tm a r k e tb u ta l s or a p i d l ye n t e r i n gt h ea u t o m o t i v e i n d u s t r y i ti sag r e a ti d e at oc o m b i n et h ea u d i oc o m p r e s s i o n , t h ei n t e r n e t - t h ea u t o i n d m i x yt o g e t h e r , s on o ww eh a v eap e r f e c tc o m b i n a t i o no ft h et h r e ef a c t o r s ：v e r d e b r o a d c a s t i n gs y s t e m ( v e h i c l em p 3p l a y e r ) a sf o rt h er e a s o n so fv e h i c l ee n t e r t a i n i n g ，a u d i oc o m p r e s s i o na n df u n c t i o n a l e x p a n s i o n , t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan & v v3 2 0 b i t sa r m 7p r o c e s s o rb a s e d b r o a d c a s t i n gs y s t e ms c h e m ew h i c hc a l lp l a yt h em p 3 ，w m a , a a cm u s i cf i l e sa n d o t h e rc o m p r e s s i o nf o r m a t sm u s i cf i l e si n t h i sv e r yc o n v e n i e n tv e h i c l em p 3p l a y e r u s e r sc a nd o w n l o a ds e v e r a lk i n do fm u s i cf i l e ( s u c ha sm p 3 ，w m a ，m i d la a c f o r m a t ) t os dc a r dt h r o u g hu s bi n t e r f a c ei nt h i ss y s t e m t h e nt h r o u g ht h ed e c o d e r , t h e d i g i t a l - a n a l o gc e n v e r s i o n , a n ds i g n a la m p l i f i c a t i o n , t h ea u d i os i g n a li st r a n s m i t t e df r o m aw i r e l e s sa u d i ot r a n s m i s s i o nc h i p t h e r e f o r e t h eo n - l i n ed i g i t a lm u s i cf i l ec a nb e p l a y e di na na u t o m o b i l em u s i cp l a y e r , w h i c ha c h i e v e si n t e r c e n n e c t i o nb e t w e e nt h e o n l i n em u s i ca n dt h ea u t o m o b i l e t h em a i nc o n t e n t so f t h ed i s s a 删o nf i r ea sf o 1 0 w s ： 1 g e n e r a l l yd e s c r i b e dt h ee m b e d d e ds y s t e ms t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c ，a n di t s d e v e l o p m e n tt e n d e n c y , a l s oi n i r o d u c e dt h ea u t o m o b i l ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t h i s t o r y ；, 2 g i v e na no u t l i n eo ft h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fv e h i c l eb r o a d c a s t i n gs y s t e m , h i a b s t r a c t a n a l y z e di t sw o r k i n gp r i n c i p l e , a n de x p l a i n e dt h er e a s o no fv e h i c l em p 3p l a y e r s p o p u l a r i t y ； 3 a f t e rt h ef u l la n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gv e h i c l e m u s i cp l a y e r , p u tf o r w a r da na r m b a s e de m b e d d e dv e h i c l eb r o a d c a s t i n gs y s t e md e s i g n s c h e m e ，w h i c hr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i v e ，c a p a c i t y - i n c r e a s e d , e x q u i s i t ea n dm u l t i f u n c t i o n a l t r e n do f v e h i c l eb r o a d c a s t i n gs y s t e m ； 4 b a s e do nt h ed e s i g ns c h e m et h a tip r o p o s e d , r e a l i z e di t sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n d e s p e c i a l l yd e s c r i b e dt h ec i r c u i to f a l lt h ei m p o r t a n tm o d u l e so nt h ep l a t f o r m ，w h i c h c o n s i s t so fs i xm a i nm o d u l e s , t h e ya r ec o n t r o l l i n gm o d u l e ，m e m o r ym o d u l e ，d e c o d i n g m o d u l e ，r a d i om o d u l e ，t r a n s m i s s i o nm o d u l e ，a n dd i s p l a y i n gm o d u l e ； 5 m 缸o m l c e dt h ei d e aa n df l o w c h a r to fs o m ei m p o r t a n tf u n c t i o n a lm o d u l e s a p p l i c a t i o n , i n c l u d i n gt h eb r o a d c a s t i n gf u n c t i o n , u s bd o w n l o a d i n gf u n c t i o n ，d i s p l a y i n g f u n c t i o n , f mf u n c t i o na n ds oo n ； 6 c o m p l e t e d t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e b u g g i n g , a n dt e s t e dt h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t l l i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dad e s i g nt h a tc a na d ds o m en e we n t e r t a i n i n gf u n c t i o nt o ac 盯w i t h o u tm o d i f y i n gi t si n t e r i o ra r r a n g e m e n ta n ds h o r t e n i n gi t sl i f es p a n i ti s f e a s i b l ei nt h e o r y , a n da l s oc o n f o r m st ot h en e e d so fm a r k e td e v e l o p m e n t m o r e o v e r , d u et ot h eu s eo fh i g h - p e r f o r m a n c ea r mp r o c e s s o r , t h es y s t e mc a l lf a c i l i t a t e f u n c t i o n a le x p a n s i o n 1 1 1 ed e s i g ns h o w sac e r t a i nd e g r e eo f d e v e l o p m e n tp r o s p e c t s k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，f i l es y s t e m ，v e h i c l ep l a y e r , a r m ，l p c 2 1 4 8 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：琵丝 日期：j 叼年够月少日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：雅 导师签名： 差 ，z 日期：莎叼年年月口日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着计算机技术应用的逐渐深入，一种实用、高效的计算机系统一嵌入式系统 逐渐被人们所认识。它用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源( 如处 理器、存储器等) 非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高。而近 来年，由于半导体、网络和通信技术的发展，嵌入式系统又进入一个新的历史发 展阶段，其标志是3 2 位m c u 的出现【6 】。嵌入式技术的飞速发展，使得汽车工业 蓬勃发展，汽车性能极大改善，也让娱乐驾驶的观念日渐深入人心，成为衡量现 代汽车水平的重要标志之一。因此，汽车娱乐电子产品必将面临着新的技术革 命。 与此同时，随着互联网的普及和数字音频压缩技术的发展，压缩音频娱乐已 经不只限于家庭和便携式设备市场，正迅速进入汽车行业【4 3 】。 本文所研究的内容正是从汽车娱乐和压缩音频两方面考虑，提出了一种基于 3 2 位微处理器的车载音乐播放器的设计方案，使m p 3 、w m a 、a a c 等压缩格式 的音乐文件能非常方便的通过汽车音响欣赏。 1 2 嵌入式系统概况 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算技术为基础，软硬 件可剪裁的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要 求的专用计算机系统【6 】。 1 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统被称为后p c 时代和后网络时代的新秀，与传统通用的计算机相 比，嵌入式系统有其自身的特点： 1 、面向特定应用的，通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。 2 、硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅 1 电子科技大学硕士学位论文 片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 3 、与具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行， 因此产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 4 、为了提高执行速度和系统可靠性，软件一般都固化在内部或外部的存储器 芯片中。 5 、本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能直接对其中 的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 2 2 嵌入式系统的发展趋势 在市场和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以 下几点趋势： 1 、联网成为必然趋势； 2 、小尺寸、微功耗和低成本： 3 、提供精巧的多媒体人机界面； 4 、“无所不在的智能”。 这是嵌入式系统应用的高级境界，是指一种嵌入了多种感知、计算设备，并 根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出人的意图，并做出相 应反应的具有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服 务制造理想的氛围，完成理想的功能，从而有效提高人们的工作效率和生活质量。 1 2 3 汽车嵌入式系统发展历程 汽车嵌入式系统是嵌入式系统发展的一个方向，它的发展过程与嵌入式发展 过程类似。按微处理器的发展可以分为三个发展阶段【4 1 】： 第一阶段：s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 系统。以4 位和低档8 位微处理器 为核心，硬件结构和功能相对单一、处理效率低、存储容量小、软件结构也比较 简单，不需要嵌入操作系统。这种底层的汽车s c m 系统主要用于任务相对简单、 数据处理量小和实时性要求不高的控制场合，如雨刷、车灯系统、仪表盘以及电 动门窗等。 2 第一章绪论 第二阶段：m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i 0 系统。以高档的8 位和1 6 位处理器为核 心，软件结构比较复杂，程序数据量有明显增加。能够完成简单的实时任务，目 前在汽车电控系统中得到了最广泛的应用，如a b s 系统、智能安全气囊、主动悬 架以及发动机管理系统等。 第三阶段：s o c ( s y s t c mo f c h i p s ) 系统。以性能极高的3 2 位甚至6 4 位嵌入式处 理器为核心。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求，不断提高处理速度， 增加存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任务处理能力， 同时与网络的耦合更为紧密，代表着汽车电子技术的发展趋势。 1 3 课题背景及方案提出 1 3 1 常见车载播放器特点分析 车载播放器基本上经历了三个阶段，一是车载磁带播放器时期，二是车载汽车 c d 时期，近年来，由于数码娱乐产品的流行，车载m p 3 也渐渐走入了人们的视 线，并在驾车族中形成了一股时尚潮流，这种产品就成为车载播放器发展的第三 个阶段。 1 3 1 1 国内车载播放器的特点 在我国，国产车的汽车音响配置较低，所以造成车载磁带播放器历史最长。 当时，汽车音响的音质可想而知。不过车载磁带音响由于传动机械而出现绞带现 象，音质不好，在中高端汽车上已基本不用，但由于其价格的原因在低端车载音 响系统中还有使用。 高品质的汽车音响固然很好，但由于其价格昂贵使不少人望而却步。不少汽 车生产厂家，为了使用市场变化的需求，在设计方面做了许多改进。车载音频播 放器进入了下一个阶段：车载c d 、v c d 、d v d 播放系统。车载c d 、v c d 播放 系统，虽然这种播放系统较磁带播放系统已经在音质方面有了很大的提高，但车 载c d 、v c d 播放系统有两大致命缺点：一是无法从互联网下载音乐，只能听碟 片；二是无法编辑歌曲，换言之，由于容量的原因，为了总是能听到你所喜欢的 歌，你得不停的快进或者换碟。因此使用起来还不是很方便，同时c d 、v c d 的 抗震性也不是很甜3 6 】。 d v d 是采用m p e g 2 标准压缩的全数字影音光碟，它有大容量、高音质、高 电子科技大学硕士学位论文 画质的特点。当时一经推出就倍受关注，但这种产品在市场上的反映却不太尽人 意。近年来，随着其价格的下降以及车载液晶电视分辨率、汽车音响系统性能的 提高、车载g p s 的普及，这项技术在高档车中使用也越来越多，但离国内普及还 有一段漫长的路。 1 3 1 2 国外车载播放器的特点 以前，韩国d u a l 公司推出过m p 3 播放机转换器。该公司设计的磁带式m p 3 播放器外形和磁带完全一样，其结构与磁带非常相似，有和磁带相同的马达传送 轮，并且是可以转动的，而且还有一个磁头，如果将它放到磁带随身听里，它的 磁头可以直接接触到磁带随身听的磁头。通过此款产品可以非常容易地使磁带播 放器具备m p 3 播放功能。但该产品将数字音乐通过卡式磁带机的磁头读取后，在 数模转换过程中信号损失大，音效下将很多，抗震性也不好。 美国v i s t e n 公司生产的基于硬盘机的m a c hm p 3 播放系统，采用p c 做播放 器，用硬盘存储数字音乐。一次可存放1 0 0 0 多首歌曲。但其体积大，系统复杂， 灵活性差，价格高。 松下p a n a s o n i cc q 5 4 0 1 播放系统，支持读m p 3 碟片。但需要刻录设备和 碟片，携带、交换、刻录、擦除都不够方便。 还有公司推出过车载c d 带便携式m p 3 播放器，其中的m p 3 播放器可拆卸。 在车上，只要将m p 3 播放器装入车载c d 机主面板，就可播数字音乐，但在没有 m p 3 播放器时c d 机也无法工作。 近来，随着车载娱乐系统被整车厂商的看好，飞思卡尔、意法半导体、瑞萨、 恩智浦、德州仪器公司都推出许多针对这个市场的芯片，使得车载d v d 播放器这 样的产品在国外风行，但这些产品价格暂时还过于昂贵。同时，由于汽车厂商无 法跟上消费电子的发展步伐，为原有汽车加入新的功能就需要对汽车内部装置改 装，不便于已生产出来汽车的新功能升级。 1 3 1 3 车载m p 3 车载m p 3 ，在几乎不用改装汽车内部装置的前提下，为汽车加入了新的娱乐 功能。即保证了汽车的使用周期，又加入了新的功能。 车载m p 3 发展至今，已分为内置式与外置式两大系列。车载m p 3 两大系列区 分的依据主要是车载射频装置与m p 3 播放器的结合方式。将车载射频装置内置于 4 第一章绪论 m p 3 播放器内一体化设计的，称之为内置式车载m p 3 ；在普通m p 3 上捆绑一个 f m 发射器，称之为外置式车载m p 3 。而内置式车载m p 3 才是真正意义上的车载 口3 。 外置式车载m p 3 可能轻易更换，但它仅仅是简单地把f m 发射器与普通m p 3 捆绑在一起，每次使用时都需要安装设置，还影响汽车美观。而且一般只有三个 左右的发射频点，调频的范围与自由度很少，当受到当地无线电台的干扰或其他 干扰时，可能造成接收不到的情况，尤其是行车时，更是让人手忙脚乱。 内置式车载m p 3 除携带方便、外性小巧外，发射频段也比较多。这就意味着 车载m p 3 发射频段不易与当地调频电台冲突。当一处波段已被占用时，车主可以 选择别的波段来播放喜爱的m p 3 音乐。但是它也只是用到l c d 黑白屏或o l e d 单彩、多彩屏作为显示屏在人机界面上有一定的欠缺。同时一般仅仅支持的w m v 、 m p 3 音频文件格式，而对a a c 这种在不久的将来替代m p 3 成为网络音频数据格 式的首选音频文件格式少有支持。 车载m p 3 技术国内外发展差别不大，甚至国内要更好一些。“一体化设计” 和“全频段发射”这两项技术功能都是2 0 0 6 年国内朗科公司率先在全球推出的。 1 3 2 车载播放器方案提出的特点 由前面汽车的嵌入式系统发展历程可以看出，汽车嵌入式已经进入了3 2 位处 理器的阶段，从8 位处理器向3 2 位处理器转变已经变成一种趋势。所以本课题选 择处理器的时候，放弃了传统的8 位处理器，决定利用3 2 位的处理器，便于以后 系统功能的升级与扩展。而在3 2 位处理器中，基于a r m 技术的微处理器应用约 占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，再考虑到货源、体积、性价比 等因素，我选择了n x p ( 恩智浦) 公司的l p c 2 1 4 8 芯片。同时基于以上车载播放 器方案优缺点的分析，我设计了这款全频带的内置车载音频播放器。一键发送， 操作简单。克服以前外置式车载m p 3 操作不便的特点，同时对内置式车载m p 3 功能扩展： 超大1 8 英寸呵显示屏，使其具有良好的人机操作环境； 除了w m a 、m p 3 音频文件格式外还支持m i d i 、a a c 格式。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容、主要工作 本人的主要工作是负责该方案中车载播放器的具体硬件设计与其中软件编写， 并对系统进行连接和调试。具体工作内容如下： 1 、对现有车载播放器进行系统分析，确认其优缺点。然后在充分考虑到系统 需求的基础上，提出一套自己的优化方案； 2 、在考虑自己提出优化方案的基础上，查阅大量中英文相关资料，对系统所 需要的硬件( 芯片) 和软件平台( 开发环境、开发工具) 进行选择和确定； 3 、选定系统硬件平台之后，在阅读各个硬件芯片的数据手册的基础上，根据 本系统的功能需求和芯片内部功能定义等来对系统进行硬件原理设计，并绘制原 理图，包括l p c 2 1 4 8 最小系统电路、s d 卡电路、解码电路、无线收发电路以及按 键与显示电路等； 4 、在电路原理图绘制完成之后，进行播放器p c b 板的设计。尽量做到合理布 线，使系统能具有好的抗干扰能力，从而提高播放器的可靠性； 5 、对系统需要软件进行设计和编写：包括s d 卡底层驱动程序、s d 卡部分文 件系统程序、大容量存储类固件程序、播放驱动程序、收音与发送模块程序、t f t 屏驱动程序等； 6 、结合设计的硬件电路与编写的软件，进行系统的硬、软件联调，并完成系 统性能测试。 1 5 本章小结 本章首先介绍了嵌入式系统的特点、发展趋势和汽车嵌入式系统的发展历程， 然后介绍了常见的一些车载播放器优缺。在此基础上提出了自己的设计方案，最 后介绍了本人在此方案中所做的主要工作。 一 6 第二章车载播放器总体设计方案与相关理论介绍 第二章车载播放器总体设计方案与相关理论介绍 2 1 播放器总体设计 2 1 1 播放器的工作原理 嵌入式车载播放器系统的基本工作原理是主控制器把f l a s h 存储器上的a a c 、 m p 3 、w m a 等格式的数字音乐文件读出，然后再对数据流进行音频解码并将解码 后的数字信号再进行数模转换、放大，最后用无线音频发射芯片发射，通过车载 音响收听( 发射接收调到相同的频率) 。其播放系统一般的工作流程如图2 1 所示。 图2 - 1 系统工作流程图 因本系统为车载系统，所以此系统一般情况下电源由汽车电源通过转换之后 直接提供，同时又考虑到本系统应该能具有便携功能，在汽车之外可以作为一般 的音频播放器使用，所以本系统也支持“+ 电池或u s b 供电。 ， 本系统的一般工作过程如下：当用户要求播放音频文件时，如果在该系统的 s d 卡没有歌曲，可通过u s b 接口连接p c 来下载音乐文件到s d 卡，或者直接用 读卡器写入，用户可根据文件名选择或者顺序选择音频文件。选择文件后主芯片 将所选的音乐文件从s d 卡读出，送入音频硬件解码器，解码、模数转换、放大后 通过无线音频发射芯片发射。 2 1 2 播放器的硬件设计 在该系统的设计中，采用n x p 公司生产的l p c 2 1 4 8 作为主控m c u 。整个系 7 一额 一一码一一、 一 舅謇一 一 一rl一 一 电子科技大学硕士学位论文 统的硬件结构框图如2 - 2 所示。p c 机通过u s b 接口( l p c 2 1 4 8 内置u s b 设备控 制器) 实现s d 卡的管理及音频文件、文档等数据信息的存储。系统启动后，由 l p c 2 1 4 8 控制将储存于s d 卡中歌曲的码流信息送入到v s l 0 3 3 芯片中，通过 v s l 0 3 3 芯片解码以及其内含的高质量的立体声数模转换器和耳机驱动电路之后， 实现歌曲的播放功能。 图2 - 2 系统硬件框图 由上述硬件框图可以看出本系统的具体硬件设计主要包括以下几个部分： 1 、车载电源转换部分：车载电源一般为1 2 v ，而本系统内部使用的电源一般 为3 3 v 、2 5 v ，所以需要进行电压转换，此外u s b 以及电池的电源也都需要通 过电压转换，从而得到系统所需要的电压； 2 、音频播放部分：包括主控m c u ( l p c 2 1 4 8 ) 、解码器和d a 转换器( v s l 0 3 3 ) 、 s d 卡、按键、矸叮显示、锂电池等几部分； 3 、无线音频发射部分：实现全频带的发射； 本文第三章给出了本系统全部硬件设计并详细介绍其各个部分的硬件设计原 理。其连接、调试、操作过程也将在第五章做具体说明。 2 1 3 播放器的软件设计 本系统最基本的软件处理任务只有两个操作： 第二章车载播放器总体设计方案与相关理论介绍 i 、读取存储器上的数据，送到解码芯片( v s l 0 3 3 ) ，解码输出。对于本系统 而言这个读取操作是通过控制s d 卡( f a t l 6 、f a t 3 2 文件系统) 来实现的； 2 、控制无线音频发射芯片( b h l 4 1 8 f v ) ，设置合适的频点，将解码、数模转 换、放大后的模拟音频信号通过此芯片发射出去。 3 、还有一些附加的功能：1 r i 叮屏显示、电子书阅读、f m 收音等。 本文第四章将详细介绍各个部分的软件设计原理。 2 2 音频压缩标准简介 数字化声音有很多种存在形式：w m a 、m p 3 、a a c 等等。但是无论是哪种格 式的数字音频文件，其声音的数据量都由两方面决定：频度和样本精度。由于对 于声音的数字化涉及较广的数字和感知领域的知识，本文仅对m p 3 、a a c 、m i d i 格式的音频文件做简要的介绍。 2 2 1m p 3 音频 m p e g 标准是由i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 和i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 联合技术委员会i s o i e c j t c i 制定的。 m p e g 专家组下设三个委员会，即m p e g 系统委员会( m p e gs y s t e m ) 、m p e g 视 频委员会( m p e g v i d e o ) 、m p e g 音频委员会( m p e g a u d i o ) ，分别制定了m p e g 系统标准( i s o m c n l 7 2 1 ) 、m p e g 视频标准( i s o i e c l l l 7 2 - 2 ) 、m p e g 音频标 准( i s o i e c l u 7 2 3 ) 。m p e g - 1 音频定义了3 个分明的层次，它们基本模型相同。 层1 是最基础的，层2 和层3 都在层1 的基础上有所提高嗍。而m p 3 就是应用在 m p e g - 1 音频压缩技术标准第三层，英文全称是m p e g - 1a u d i ol a y c r l l l 。层l 和 层2 的压缩率分别为4 ：1 和6 ：1 8 ：i ，而层3 的压缩率则高达1 0 ：l 1 2 ：l ， 也就是说，一分钟c d 音质的音乐，未经压缩需要1 0 m b 的存储空间，而经过m p 3 压缩编码后只有1 m b 左右。不过m p 3 对音频信号采用的是有损压缩方式，为了 降低声音失真度，m p 3 采取了“感官编码技术”，即编码时先对音频文件进行频谱 分析，然后用过滤器滤掉噪音电平，接着通过量化的方式将剩下的每一位打散排 列，最后形成具有较高压缩比的m p 3 文件，并使压缩后的文件在回放时能够达到 比较接近原音源的声音效果。虽然它是一种有损压缩方式，但它以极小的声音失 真换来较高的压缩比，因此在因特网上广泛传播。m p 3 有三种不同的编码方式： 9 电子科技大学硕士学位论文 c b r ( c o n s t a n tb i t r a t e ) ，常数比特率，指文件从头到尾都是一种位速率。它压 缩出来的文件体积很大，但音质却不会有明显的提高。 v b r ( v a r i a b l eb i t r a t e ) 动态比特率。也就是没有固定的比特率，压缩软件在 压缩时根据音频数据即时确定使用什么比特率。这是x i n g 发展的算法，此算法将 一首歌的复杂部分用高比特率编码，简单部分用低比特率编码。主意虽然不错， 可惜x i n g 编码器的v b r 算法很差，音质与c b r 相去甚远。幸运的是，l a m e 完 美地优化了v b r 算法，使之成为m p 3 的最佳编码模式。这是以质量为前提并兼 顾文件大小的编码模式。 a b r 。( a v e r a g eb i t r a t e ) 平均比特率，是v b r 的一种插值参数。l a m e 针对c b r 不佳的文件体积比和v b r 生成文件大小不定的特点独创了这种编码模式。a b r 也 被称为“s a f ev b r ，它是在指定的平均比特率内，以每5 0 帧( 3 0 帧约1 秒) 为一 段，低频和不敏感频率使用相对低的流量，高频和大动态表现时使用高流量。可 以做为v b r 和c b r 的一种折衷选择。 2 2 2a a c 音频 a a c 的全名为a d v a n c e a u d i oc o d i n g ，其中文含义为高级音频编码，是国际标 准化组织( i s o ) 制定的音频标准格式，也是m p e g 规范的一部分。在m p e g 2 里提出，在m p e g - - 4 里进一步的扩展和完善。m p e g - 2 a a c 不向后兼容m p e g - 1 ， 除去兼容性限制，其它性能均比m p e g - 2 优越。它支持3 2 ，4 4 1 和4 8 k h z 的采样 频率，也支持其它8 到9 6 k h z 的采样频率，适用于从比特率在8 k b i f f s 单声道的电 话音质到1 6 0 k b i t ，s 多声道高质量音频编码。输入声道的配置为单声道、双声道、 5 1 声道，最多可达到4 8 声道。m p e g - 4 a a c ( i s o i e c1 4 4 9 6 3 ) 以m p e g - 2 a a c 为核心，在此基础上增加了感知噪声替代( p n s ) 和长时预测( u p ) 功能模块， p n s 应用于具有类似噪声频谱的音频信号，l t p 则针对具有明显基音特征的音频 信号，并向下兼容m p e g 2 a a c 。采样频率选择性更高，更接近c d 音质；并且采 用了解析度更高的滤波器组，达到很高的压缩率，大幅度降低传输时间及存储空 间，适合新一代音乐产品的使用【勰1 。 和m p 3 相比，a a c 有如下几个优点可以使a a c 在不久的将来替代m p 3 成为 网络音频数据格式的首选【2 _ 7 1 。 1 、进步的数据压缩技术使得在更小的数据量的前提下获得更好的音质； 1 0 第二章车载播放器总体设计方案与相关理论介绍 2 、支持多声道音频，最高支持4 8 声道； 3 、更高的采样音频，最高支持9 6 k h z 的采样频率； 4 、提高了解码效率，使得解码器所占的资源更少。 一般来说，对于专家级的听众很难分辨出1 2 8 k b p s ( 双声道) 的a a c 音频数据和 无压缩数据之间播放效果的区别；9 6 k b p s 的a a c 音频格式可以到达1 2 8k b p s 的 m p 3 音频数据的音质；就是6 4 k b p s 的a a c 音频数据的音质也好于绝大多数其他 的数据压缩格式的音质。 a a c 是一个大家族，目前已经制定了如下9 种规格1 4 9 ，以适应不同场合的需 要： 表2 - 1a a c 规格分类 类型规格 m p e g - 2 a a cl c 低复杂度规格( l o wc o m p l e x i t y ) e g 一2a a cm a i n 主规格 h 伊e g - 2a a cs s r 可变取样率规格( s e a l a b l es a m p l i n gr a t e ) m p e g - 4 a a cl c 低复杂度规格 m p e g - 4 a a cm a i n 主规格 m p e g - 4 a a cs s r 可变取样率规格( s c a l a b l es a m p l i n gr a t e ) d ，e g - 4 a a cl 1 曙 长时期预测规格( l o n gt e r mp r e d i c t i o n 、 m p e g 4 a a cl d 低延迟规格( l o wd e l a y ) 衅e g - 4 a a ch e 高效率规格( h i g he f f i c i e n c y ) m a i n ( 主规格) 包含了除增益控制( g a i nc o n t r 0 1 ) 之外的全部功能，其音质最好。 低复杂度规格( l o wc o m p l e x i t y ) 则使用比较简单的时域杂乱讯息修正 ( t e m p o r a ln o i s es h a p i n g , t n s ) 模块，也缺少了预测( p r e d i c t i o n ) 和增益控制( g a i n c o n t r 0 1 ) 模块，以此降低复杂度，提高编码效率。s s r ( s e a l a b l es a m p l i n gr a t e , 可采样率规格) 和l c 规格大体相同，但是多了增益控制功能。 m p e g - 4a a cl t p ( l o n gt e r mp r e d i e t i o n ，长时期预测规格) 、m p e g - 4a a c l d ( l o wd e l a y ，低延迟规格1 和m p e g - 4 a a ch e ( h i g he f f i c i e n c y ，高效率规格) 都是用在低码率下的规格，尤其是m p e g - 4a a ch e 规格由于高效率高音质( 低 码率而言) ，被越来越多的应用到低码率编码中。事实上，m a i n 规格和l c 规格的 音质相差并不大，但是编码效率确相差明显，所以目前使用最多的当属l c 规格。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3m i d i 音频 m i d i ( m u s i e a li n s t r u m e n td i i g i t a li n t e r f a c e ) 是用于电子乐器及相关器材问相互 交流的通信语言，是一种通用于不同电子音乐器设备之间的协议。m i d i 接口方案 始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 9 1 年m i d i 制造商协会( m m a ) 与日本m i d i 标准委员会( j m s o 采用了通用m i d i 系统标准l e v e l1 ( g e n e r a lm i d il e v e r a l1 ) 规范，从而真正形 成了工业标准。m i d i 产生声音的方法与波形音频采样、模数数模转换的方法大不 相同。m i d i 文件中记录的不是任何声音波形，而是一系列发往合成器的消息。不 同的消息分别说明音高、音长、通道号等有关乐音的主要信息。根据消息，产生 出声音的硬件是合成器。m i d i 音频播放时，首先由m 1 d i 合成器根据m i d i 指令生成 声音