（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式技术的音频信号处理及频谱显示系统设计.pdf

内蒙古师范大学硕士学位论文 中文摘要 当前，嵌入式技术已经成为信息产业发展的主流技术，数字音频技 术也已渗透到互联网、广播、个人消费电子产品和数字影视等众多领域。 随着嵌入式技术和数字音频技术的高速发展，二者结合的嵌入式音频技 术得到了广泛应用，相应的嵌入式音频系统的应用与开发也越来越受到 重视。 本课题采用以a r m 7 t d m i 为内核的s 3 c 4 4 b o x 芯片作为嵌入式硬件开发 平台的处理器，在uc o s - t i 实时操作系统平台上完成了音频系统的设 计，实现了对音频文件的处理、播放及声音频谱的动态屏幕显示等功能。 该系统的主要硬件模块有：i l l s 总线及u d a l 3 4 1 t s 音频编解码芯片接口、 l c d 显示电路、四线电阻式触摸屏控制电路以及键盘控制电路。软件设计 包括：pc o s i i 实时操作系统多任务划分设计、音频文件的播放、音频 频谱显示相关算法、基于a r m 7 的b o o t l o a d e r 装载设计和操作系统移植等。 本文在a d s i 2 集成开发环境下，用c 语言及汇编语言混合编程的方法 完成了整个系统各软件模块的编程、调试。通过调试验证了软硬件各模 块的正确性，实现音频的播放及音频频谱的显示。将已调试好的应用程 序、嵌入式操作系统代码信息烧写到非易失性存储器a m 2 9 l v l 6 0 b ，通过 b o o t l o a d e r 在系统的装载，实现了目标板脱离宿主机运行，成为一个独 立的嵌入式系统。最后，总结论文的主要工作及其存在的问题，并对未 来工作提出了建议和展望。实验证明本文设计的音频系统功能可靠、性 能稳定、操作简单，具有很高的实际应用价值。 关键词：嵌入式系统，音频技术，频谱显示，操作系统移植，b o o t l o a d e r 装载 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i nt e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y d i g i t a la u d i oh a sa l s ob e e n i n v o l v e di nt h ei n t e r n e t ，b r o a d c a s t i n g ，c o n s u m e re l e c t r o n i c sa n dd i g i t a l t e l e v i s i o na n dm a n yo t h e rf i e l d s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dd i g i t a la u d i ot e c h n o l o g y , t h ec o m b i n a t i o no ft h e mh a sb e e n w i d e l yu s e d s ot h ec o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n to ft h e e m b e d d e da u d i o s y s t e m sa r ep a i df o rm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nt h i ss u b j e c t ，t h e s 3 c 4 4 b o xw i t ht h ea r m 7 t d m ic o r ei st a k e na s t h ep r o c e s s o ro fe m b e d d e dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h e d e s i g ni np c o s - i ir e a l - - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m , t h ei m p l e m e n t a t i o no f a u d i os i g n a lp r o c e s s i n g ，p l a y b a c ka n ds o u n ds p e c t r u md y n a m i cs c r e e nd i s p l a y a n ds oo ni s g o t t h es y s t e mh a r d w a r em o d u l e si n c l u d ei i s b u sa n d u d a13 41t sa u d i oc o d e cc h i pi n t e r f a c e ，l c dd i s p l a yc i r c u i t ，f o u r - w i r e r e s i s t i v et o u c hs c r e e nc o n t r o lc i r c u i ta n dk e y b o a r dc o n t r o lc i r c u i t t h e s o t t w a r ed e s i g n i n c l u d e s ：p c o s - i i d i v i s i o no fm u l t i - t a s k i n gr e a lt i m e 内蒙古师范大学硕士学位论文 o p e r a t i n gs y s t e md e s i g n ，t h ep l a y b a c ko fa u d i of i l e ，t h er e l e v a n ta l g o r i t h mo f a u d i os p e c t r u md i s p l a y , a r m 7 一b a s e db o o t l o a d e rd e s i g na n do p e r a t i n gs y s t e m t r a n s p l a n t a t i o n i nt h i st h e s i s ，i na d s1 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，c l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g eh y b r i dp r o g r a m m i n gm e t h o di su s e dt o c o m p l e t et h ee n t i r ep r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n go ft h es y s t e ms o f t w a r e m o d u l e s i ne x p e r i m e n tt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e si sv e r i f i e dw i t h t h ea u d i op l a y b a c ka n t ta u d i o s p e c t r u m sd i s p l a y t h ec o d e o ft h e a p p l i c a t i o np r o g r a ma n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sp r o g r a m m e di n t ot h e n o n v o l a t i l em e m o r ya m 2 9 l v16 0 b t h r o u g ht h eb o o t l o a d e r ，t h et a r g e t b o a r dt or u na sas t a n d a l o n ee m b e d d e ds y s t e mi sa c h i e v e d f i n a l l y ， s u m m a r i z et h em a i nw o r ka n dg i v et h es u g g e s t i o n sf o rf u t u r ew o r k e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i sa u d i os y s t e mf e a t u r e sar e l i a b l e ，s t a b l e p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e r ，s i m p l eo p e r a t i o n ，w i t hh i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m s ，a u d i ot e c h n o l o g y ，s p e c t r u md i s p l a y ， o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n ，b o o t l o a d e r 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，尽我所知，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 包含本人为获得内蒙古师范大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。本人保证所呈交的论文不侵犯国家机密、商业秘密及 其他合法权益。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感谢。 签名：至塑星壅日期：砂声年月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解内蒙古师范大学有关保留、使用学位 论文的规定：内蒙古师范大学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，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，并且本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：蹴 导师张嚯稍竿 日期：y 口年月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是一个涉及多门知识的研究领域，包括操作系 统、微型计算机原理、c 汇编语言程序设计及各种应用领域。借用英国电气工程师学 会( i e e ) 的一个定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行 的装置【。 嵌入式系统具备下列特征： ( 1 ) 通常只执行特定功能，这一点与一般桌上型办公设备或数据库系统有很大 区别。 ( 2 )以微型计算机与周边器件构成核心，其规模可在大范围内变化，如从8 0 5 1 芯片到x 8 6 芯片。 ( 3 ) 要求严格的时序和稳定性，这是因为在计算机控制的大型系统中，程序运 行稍有差错则可能使得整个系统失去控制，甚至酿成灾害。 ( 4 ) 全自动循环操作。 嵌入式计算机系统属于专用计算机。“计算机嵌入式系统”一般不会是一个独立 的设备，仅仅是整体设备的一个组成部分，或者说，设备的某一部分功能是由计算机 系统来完成的，其中的计算机部分称为嵌入式系统。比如在一个大型设备中，整个系 统包括各种分系统，如数据采集系统、检测系统、识别系统；倘若其中某一分系 统是由计算机作为核心而组成实现的，那么，从计算机应用角度来讲，其中的“计算 机部分”称为嵌入式系统。一部设备有可能包含多个计算机嵌入式系统，人们熟悉的 计算器、a t m 机、数码相机、手机、各种智能仪器及各种大型设备等，均包含计算机 嵌入式系统。 1 2 嵌入式音频技术的发展现状 随着社会信息化的日益加强，任何一个普通人都可能拥有大小不一、形状各异、 包含了嵌入式技术的电子产品。d , nm p 3 、p d a ( 个人数字助理) 等微型数字产品， 大到网络家电、智能家电和车载电子设备等，都已广泛应用于人们的日常生活之中。 目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。在 工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床、智能工具、工业机器人和服务机器 人正在逐渐改变着传统的工业生产和服务生产。在计算机应用中，仅从芯片数量而言， 内蒙古师范大学硕士学位论文 嵌入式系统所占的比例达到7 0 9 0 。大规模、超大规模集成电路技术的日臻成熟， 使得硬件成本在计算机系统中所占的比例越来越小。硬件成本的降低、功能的增强， 大大扩展了嵌入式系统的应用领域和范围，从而进一步促进了嵌入式系统的发展【2 j 。 一般来说，简单的嵌入式系统没有必要引入操作系统，当系统达到一定规模时， 引入操作系统便成为必然，这使得计算机硬件便于使用，计算机资源被更加高效地组 织和正确地应用。与通用操作系统不同，嵌入式操作系统在系统的实时高效性、硬件 的相关依赖性、软件固化以及应用专业性等方面都具有较为突出的特点【3 】。操作系统 的引入使嵌入式系统的应用进入一个新的发展阶段。 随着数字音频技术和嵌入式技术的高速发展，二者结合的嵌入式音频技术的发展 速度也相当惊人。嵌入式音频技术广泛应用于车载音响、3 g 手机、个人数字助理 ( p d a ) 、便携式多媒体播放器( p m p ) 等。嵌入式数字音频产品的出现，开辟了音 频研究领域的新纪元。 在目前诸多的音频系统中，音频频谱的显示更为其增色不少。在嵌入式音频系统 中加载运行操作系统和应用程序，使其性能更加突出，产品服务功能更加丰富。嵌入 式音频系统已经广泛应用到人们生活的方方面面，这标志着我们已进入了一个崭新的 嵌入式音频时代。因此，嵌入式音频领域研究的发展前景不可限量，清楚的把握嵌入 式音频技术的发展方向，对理论研究、行业发展及现实生活都具有重要的意义。 1 3 课题的研究背景及意义 嵌入式系统的应用开发成为近几年来i t 行业的技术热点，嵌入式系统在音频处 理方面也有着广阔的空间，嵌入式数字音频产品正受到越来越多消费者的青睐。音频 系统是多媒体研究领域的一个重要方向，它的处理对象是所采集到的声音信号。人类 能够听见的音频信号的频率范围大约是2 0 h z - - 2 0 k h z ，音乐声响是全范围分布的。声 音经过模拟设备记录或再生成为模拟音频信号，再经数字化成为数字音频信号。数字 音频系统在嵌入式方面的应用越来越广泛，如m p 3 、m p 4 等便携式音乐设备。频谱 显示技术是指在播放音频文件的同时显示其频谱分布，用户可以直观的看到正在播放 的音乐中有哪些频率分量、各分量的大小以及变化快慢等。这样做的目的是增强用户 的直观感受，获得更好的用户体验。 通常，目标板上的引导程序将通过串口连接或网络连接等通信手段从宿主机下载 文件，比如：下载内核映像、数据文件、应用程序等。这个过程需要将目标机与宿主 机进行硬件线路的实际连接，使用起来很不方便。为此，采用b o o t l o a d e r 在系统装载 的方法，即可实现系统的独立性。 2 第一章绪论 综上所述，本论文对于嵌入式音频系统的研究无论是在科学理论研究方面，还是 在应用领域方面，都具有一定的现实意义。 1 4 课题的研究内容及论文组织 本课题研究的主要内容是将嵌入式实时操作系统l x c o s i i 移植到基于a r m 7 的 实验平台上，编写了开发平台l c d 显示、触摸屏、键盘和音频模块四个子模块的驱 动程序，并通过调试验证这四个模块工作的稳定性。然后在i i c o s i i 操作系统下编 写多任务程序实现音频文件的播放及音频频谱的显示。最后采用将自举加载程序及已 调试好的用户应用程序烧写到非易失性存储器中，当运行自举加载程序时，将用户程 序作为一个文件读取到高速运行的读写存储器中的方法，可以使目标机脱离宿主机运 行，成为一个独立的系统。 本文包括七章内容： 第一章，绪论部分主要介绍了嵌入式音频技术的发展现状、课题的研究背景及意 义。 第二章，系统总体方案设计部分介绍了由s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处 理器s 3 c 4 4 b o x 及基于s 3 c 4 4 b o x 的嵌入式开发平台的硬件结构。提出了基于 p c o s i i 音频系统的设计方案。 第三章，音频系统子模块的设计部分详细设计了l c d 显示、触摸屏、键盘和i i s 四个功能模块； 第四章，音频频谱显示相关算法详细介绍了时间抽取基一2f f t 算法。 第五章，p c o s i i 下音频系统的实现部分研究了嵌入式操作系统p c o s i i 的系 统结构，详述了移植方法和关键步骤，并在, c o s i i 操作系统下实现音频系统的多 任务，使整个系统能够协调运行。 第六章，b o o t l o a d e r 在系统装载部分研究了嵌入式系统b o o t l o a d e r 的主要功能， 结合引导加载程序的工作原理，给出了引导加载程序初始化过程及其对操作系统及用 户程序的引导过程。 第七章，总结与展望，简述系统实现效果，说明设计中的未尽事宜，并介绍未来 工作的研究方向。 内蒙古师范大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1 基于a r m 7 的嵌入式开发平台 嵌入式系统硬件部分是以嵌入式控制器为核心，并由存储器、外设器件及电源等 必要的辅助接口组成的。在实际的设计应用中为了节省成本，嵌入式系统的硬件配置 会非常精简，除了微处理器和基本的外围电路外，其余的可以根据需要进行裁剪和定 制。在本课题中，嵌入式开发平台选用的微处理器是s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x ， 其内核为a r m 7 t d m i 。 2 1 1 嵌入式处理器s 3 0 4 4 b o x s 3 c 4 4 b o x 微处理器是三星公司为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性能的 a r m 微控制器解决方案。片内集成的a r m 7 t d m i 核是它的杰出特性。a r m 7 t d m i 是个 1 6 3 2 位的微处理器核，最高工作频率6 6 啪，采用0 2 5 9 mc o m s 工艺制造，a r m 7 t d m i 体系结构的特点是它集成了3 2 位的硬件乘法器、t h u m b 代码压缩器和片上i c e 中断调试支 持嗣。和a r m 的其他成员一样，a r m t t d m i 是基于精简指令集( s c ) 的基本原理设计 而成的。由于该指令集比较精炼，指令代码较少，因此，处理器的译码结构就相对简单。处 理器内含集成元件的门数相对减少，使得功耗刚氐。 s 3 c 4 4 b o x 微处理器在a r m 7 t d m i 核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能 模块，通过提供全面并且通用的片上外设，很大程度的减少了系统电路中除了处理器 以外的元器件的配置，从而使系统成本降至最低。因此适用于低成本设计嵌入式应用 系统。集成的丰富的片上功能包括【5 】： 带8 k b 缓存的2 5 v 静态a r m 7 t d m ic p u 核； 可选的内部s r a m ； l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色d s t n ，l c d 具有专用d m a ) ； 2 通道u a r t 带有握手协议( 支持i r d a l 0 ，具有1 6 b y t ef i f o ) ； l 通道s i o ，8 通道l o 位a d c ； 2 个通用d m a 和2 个外部设备用d m a ，具有外部请求引脚； 外部存储控制器( 片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器) ； 看门狗计时器、5 个p w m 计时器和l 通道内部计时器； 7 1 个通用i o 口，8 个外部中断源； 1 个多主i i c 总线控制器以及l 通道i i s 总线控制器； 具有日历功能的r t c ； 带p l l 的片上时钟发生器。 4 第二章系统总体方案设计 2 1 2 开发平台硬件结构 由于s 3 c 4 4 b o x 的片内资源非常丰富，集成的片上功能大大简化了本课题中开发 平台的设计。整个系统平台的组成框图如下图所示： 2 m bf l a s h ( a m 2 9 l v1 6 0 b ) f l a s hm e m o r yk 9 f 2 8 0 8 u o c 键盘模块il 音频模块 基于a r m 架 构的微处理器 s a m s u n g s 3 c 4 4 8 0 x u s b 接口u s b n 9 6 0 3 两个r s - 2 3 2 串行通信接口 j t a g 调试端口 l c d 、触摸屏li 仁爿t c p i p 协议 图2 - 1 开发平台硬件结构框图 2 2 基于a r m 7 的音频系统方案设计 2 2 1 嵌入式操作系统的选择 嵌入式操作系统i 工c o s i i 是一个可移植、可固化、可裁剪的剥夺型实时多任务 内核，具有高度的稳定性和可靠性，并且具有源代码公开、可读性强、移植方便等优 点【6 】。因此本设计选择将它移植到s 3 c 4 4 b o x 上。 2 2 2 音频文件的获取方式 本方案是由控制器从n a n d f l a s h 读取w a v 文件数据的方式来实现的。w a v 为 w a v e f o r m ( 波形) 的缩写，是m i c r o s o f tw i n d o w s 提供的通用的音频格式。本系统 利用k 9 f 2 8 0 8 u o c 芯片进行f l a s h 存储。 2 2 3 任务划分 实时操作系统中任务的执行大多数都是由外部事件触发的。也就是说，实时操作 系统的主要工作就是响应并处理各种外部事件。因此，作为实时系统，对于每个事件 都对应有一个处理它的程序模块，这些程序模块就是任务，每个程序可以认为c p u 只 属于该程序自己，并独立拥有属于自己的一套c p u 寄存器和栈空间1 7 】。由于p c o s i i 是一种可剥夺型内核，所以只要没有更高优先级别的任务来抢夺当前任务的处理器使 用权，那么当前任务就会一直占用处理器，为此，任务的代码应该是个由f o r ( ；) 语句实现的无限循环。根据任务是否占用处理器以及是否处于被中断、等待等情况， 内蒙古师范大学硕士学位论文 任务在i 上c o s i i 中可能处于睡眠、就绪、运行、等待、中断服务这5 个状态之一。 任务的状态及其转换如图2 2 所示。 图2 2 任务的状态及其转换 任务划分是实时操作系统应用软件设计的关键，它的合理与否将影响整个系统的 性能。在本设计中，根据实际应用的需要，实时任务划分如下： ( 1 ) w a v 播放任务t a s k w a v ( v o i d * p ) 用于w a v 文件的播放。w a v 与任何媒体数 据都兼容。通常被用来保存一些未被压缩的音频文件。 ( 2 ) 触摸屏任务t a s k p r e s s t p ( v o i d * p ) 主要用于完成w a v 的播放暂停及曲目切换 的功能。 ( 3 ) 按键任务t a s k p r e s s k e y ( v o i d * p ) 也用于w a v 的播放暂停及曲目切换。 ( 4 ) 显示任务t a s k s h o w ( v o i d * p ) 主要完成音频频谱的显示。 2 2 4 音频频谱显示 音频文件播放的是一连串时域信号的频率点，将这些频率点进行快速傅里叶变换 ( f f t ) 可以得到相应的频谱分量图，频谱显示需要实时计算并刷新屏幕。 2 3 系统装载方案设计 通常，嵌入式平台是一个“裸机”，其上并没有像b i o s 那样的固件程序，因此 整个系统的加载启动任务就完全由引导程序来完成。b o o t l o a d e r ( 引导装载程序) 是 操作系统内核和用户应用程序运行之前的一小段程序，通过运行这段程序，可以初始 化硬件设备，建立内存空间的映射图，以便最终调用操作系统内核或用户应用程序， 进而完成启动加载功能【8 1 。 在本设计中，b o o t l o a d e r 实现的功能是对系统进行初始化后从f l a s h 中读取用 户程序代码到s d r a m 中并将系统控制权交给用户程序。采用b o o t l o a d e r 在系统装载 的方法，可以使目标机脱离宿主机运行，成为一个独立的系统。 6 第三章音频系统子模块的设计 第三章音频系统子模块的设计 3 1l c d 显示模块 3 1 1i _ c o 概述 s 3 c 4 4 b o x 内置l c d 控制器可以支持规格为每像素2 位( 4 级灰度) 或每像素4 位( 1 6 级灰度) 的黑白l c d 。也可以支持每像素8 位( 2 5 6 级颜色) 的彩色l c d 屏。 l c d 控制器可以通过编程支持不同l c d 屏的要求，例如行和列像素数、数据总线宽 度、接口时序和刷新频率等【9 】【l0 1 。 l c d 显示一个点的重要因素就是点的坐标和点的数据，在具体的程序中所涉及 的不是一个一个的点，而是若干个有序排列的点的集合，这就是字模。l c d 的显示 与字模数据密切相关，显示子程序的功能就是读取相应的字模数据送给l c d ，由l c d 将接收到的字模在相应的位置上显示出来。但字模数据的生成与程序基本无关，相关 的只是字模数据的内容。 本系统使用的是尺寸为3 2 0 x 2 4 0 、带c f l ( 紧凑型节能荧光灯) 背光、s t n 型 2 5 6 级彩色液晶屏，可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线、汉字及图片 等。s t n 型液晶功耗小、省电，属于无源型被动矩阵式l c d 器件。 l c d 控制器主要提供液晶显示屏显示数据的传送、时钟和各种信号的产生与控 制功能。其内部结构框图如图3 1 所示，寄存器控制对1 8 个可编程l c d 控制寄存器 进行配置；专用d m a 传送控制器( l c d c d m a ) 自动将显示帧缓冲区数据经由数据 控制器，传送到l c d 驱动器显示。l c d c d m a 模块中包含一个f i f o 缓冲区，缓冲 区包括2 4 字，其中1 2 字f i f o l 和1 2 字f i f o h ，用来支持双扫描，在单扫描模式下， 仅一个1 2 字f i f o h 可用。当f i f o 缓冲区为空或部分为空时，l c d c d m a 请求从系 统存储器中的帧缓冲区预取数据，并传送到f i f o 缓冲区。l c d c d m a 采用突发传输 模式，一次预取4 字，存入f i f o 缓冲区，在总线传送数据过程中，不允许总线控制 权转让。 7 内蒙古师范大学硕士学位论文 系统总线 图3 - 1l c d 控制器内部结构图 v c l k v l r n e v f r a m e v m v d 3 ：0 】 v d 7 ：4 】 数据控制器将显示数据以4 8 单扫描或4 位双扫描模式输出数据v d 7 ：0 ；信号 产生电路产生v f r a m e ( l c d 控制器和l c d 驱动器之间的帧同步信号) 、v l i n e ( l c d 控制器和l c d 驱动器之间的线同步脉、冲信号) 、v c l k ( l c d 控制器和l c d 驱动器之间的像素时钟信号) 和v m ( l c d 驱动器的a c 信号) 等信号。 3 1 2l c d 驱动控制电路 本系统中，3 2 0 x 2 4 0 l c d 显示屏是由s 3 c 4 4 b o x 的l c d 控制器驱动的。由于l c d 驱动控制端口与a r m 的端口4 共用，因此需要设置相应的寄存器，将其定义为功能 端口。考虑到电平问题，l c d 控制器需要通过驱动器7 4 h c t 2 4 5 与l c d 显示屏的相 应引脚进行连接。其中l c d 显示屏像素点的显示与熄灭由s 3 c 4 4 b o x 的端口b 的p b 4 位来控制。l c d 接口电路如下图所示： s 3 c 4 4 b o x 图3 - 2l c d 接口电路 第三章音频系统子模块的设计 3 1 3l g d 液晶显示实现过程 对软件设计而言，可以把帧缓冲区( b u f f e r ) 看成一块内存，用户既可以向这块 内存中写入数据，也可以从其中读出数据。系统中帧缓冲区大小是用字节来计算的， b u f f e r 中第一个字节的高四位表示l c d 的一个像素点显示的数据，低四位则代表第 二个像素点，按照这样的规律推算下去。本系统l c d 模块显示的内容主要有字符、 汉字和图形。对于文本方式显示，必须首先确定文本区首地址；而对于图形方式下的 显示，则要先确定图形区首地址。由于设置了多个文本和图形缓冲区，因此通过把首 地址重新定位到这些缓冲区的方式来快速切换屏显内容。系统初始化后，首先对l c d 控制寄存器及地址寄存器进行改写，设置一些l c d 的参数，配置b u f f e r 的起始地址 和b u f f e r 大小等一些参数；然后是清屏，最后是显示。其显示实现过程如3 3 图所示： 图3 3l c d 显不实现过程 实现这些操作最基本的函数是对液晶控制器指令的操作函数，这些操作函数主要 功能如下： ( 1 ) l c d 初始化。主要包括对控制器的显示频率、显示行数及显示缓冲区地址的设置。 ( 2 ) l c d 清屏。由于系统上电时，显示缓冲区的数据是不固定的，显示出乱码， 因此在液晶显示操作之前应将缓冲区清零。 ( 3 ) 数据显示。液晶初始化结束后，系统将采集来的信号通过处理后用文字、图 形等显示到l c d 上。 3 2 触摸屏模块 3 2 1 四线电阻式触摸屏的基本工作原理 触摸屏是一种输入设备，在本设计中所使用的触摸屏是四线电阻式触摸屏。电 阻式触摸屏通常采用薄膜加上玻璃的结构，当触摸屏薄膜下层的i t o ( 纳米铟锡金属 o 内蒙古师范大学硕士学位论文 氧化物，一种导电物质) 接触到玻璃上层的i t o 时，相应的感应器就会传出一个信 息，再从控制器送到计算机端，之后再通过驱动程序转化为屏幕上对应的坐标值。四 线电阻模拟量技术的两层透明金属层工作时每层均增加5 v 恒定电压：一个竖直方向， 一个水平方向，总共需四根电缆。接触屏幕时，两个i t o 导电层出现一个接触点， 因其中一面导电层接通y 轴方向的5 v 均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零。 控制器侦测到这个接通后，进行a d 转换并将得到的电压值与5 v 相比，即可得触摸 点的y 轴坐标，同理得到x 轴的坐标，这就是四线电阻式触摸屏的基本工作原理【l l j ， 如下图所示： j ! 墨圣坐堡xh - - - 一x f 1 ( y + 电极) v p x _ r 4 v ( r 3 + r 4 ) 拟 v c c ( x + 电极) 。v p y = r l 奉v ( m + m ) 图3 - 4 四线电阻触摸屏的基本工作原理 3 2 2 触摸屏电路 在本设计中所使用的触摸屏芯片是触摸屏驱动芯片f m 7 8 4 3 ，它是一款专用于四 线电阻式触摸屏的1 2 位模数采样转换器，它具有一个串口接口，以及面向连接触摸 屏的相关接口。具有完全降功耗模式、转换速度快的特点。其主要功能是：分时向触 摸屏的x 、y 电极对施加电压，并将测量电极上的电压信号转换为相应触摸点的x 、 y 坐标。通过s 3 c 4 4 b o x 的同步串行口向f m 7 8 4 3 发送控制字，转换完成后再通过串 口读出电压转换值。而f m 7 8 4 3 的打开与关闭是由s 3 c 4 4 b o x 的端口f 的第6 位来 控制。电路连接如下图所示： v d d v c c d c l ks i o c l k 4x + c sg p f 6 3 y + d 玳s i o t x d 2x -d o u ts i o r x d 1 y p d a - m q e ) ( d 盯5 g n d _ j c h p a d 、m ns 3 c 4 4 b o x v c c lv u u v r e f f w 8 4 3j f 图3 5 触摸屏电路 l o 第三章音频系统子模块的设计 3 2 3 触摸屏软件设计 根据f m 7 8 4 3 与触摸屏的硬件连接，设置各功能引脚，初始化触摸屏控制器的 控制字等，使触摸屏上电后能正常工作。当触摸屏被触摸时，提出中断，调用t o u c h ( ) 函数，确定x 轴和y 轴的坐标值。触摸屏软件设计流程图如图3 - 6 所示。t o u c h 的示 意代码如下： t o u c h ( ) 查询触摸屏状态： 判断触摸屏是否被触摸； i f ( 触摸屏被按下) 调用读取x 轴坐标函数；读取x 轴坐标 调用读取y 轴坐标函数；读取y 轴坐标 调用坐标校准函数使l c d 与触摸屏对齐； 调用坐标保存函数s t o r e s t a t e ( x ，y ) ； 枣此函数负责更新触摸屏相关的全 局变量幸 ) ) 图3 - 6 触摸屏的程序流程图 l l 内蒙古师范大学硕士学位论文 3 3 键盘模块 3 3 1 键盘模块概述 在a r m 嵌入式应用中，人机交互对话最通用的方法就是通过键盘和l c d 显示 来进行，操作者通过键盘系统发送各种指令或置入必要的数据信息。键盘模块设计的 好坏，直接关系到系统的可靠性和稳定性。嵌入式系统所用的键盘通常由机械开关组 成，通过机械开关中的簧片是否接触来接通或者断开电路，以便区别按键是处在按下 状态或是释放状态。 用扫描法识别按键的原理是：先使第0 行接低电平，其余行为高电平，然后通过 检测列线电位判断第0 行是否有键闭合。如果有某列线变为低电平，则表示第0 行和 此列线相交的位置上的键被按下；如果没有任何一条列线为低电平，则说明第0 行没 有任何键被按下。接着再将第1 行接低电平，然后检测列线。依次扫描，直到最后一 行。在扫描过程中，当发现某一行有键闭合时，也就是列线输入中有_ 一列为0 时，便 在扫描中途退出，通过组合行线和列线即可识别此刻的按键。 本设计所使用的z l g 7 2 8 9 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的、具有 s p i 串行接口功能的智能显示驱动芯片。该芯片内部含有译码器，可直接接收b c d 码或1 6 进制码、并同时具有2 种译码方式，此外还具有多种控制指令，如消隐、闪 烁、左移、右移、段寻址等。通过z l g 7 2 8 9 自身所具有的片选信号，可以方便地实 现多于6 4 键的键盘接口。 3 3 2z l g 7 2 8 9 与s 3 0 4 4 8 0 x 的连接电路 z l g 7 2 8 9 采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从d a t a 引脚送入芯片，并 由c l k 端同步。当片选信号变为低电平后，d a t a 引脚上的数据在c l k 引脚的上升 沿被写入z l g 7 2 8 9 的缓冲寄存器。 z l g 7 2 8 9 与s 3 c 4 4 b o x 的连接方法如3 7 图所示。图中，s 3 c 4 4 b o x 所用的时钟 频率为1 2 m h z 。 1 2 第三章音频系统子模块的设计 图3 - 7z l g 7 2 8 9 与s 3 c 4 4 b o x 的连接 其中，z l g 7 2 8 9 的c l k 和d i o 与s 3 c 4 4 b o x 的同步串口连接；k e y 键与外部 中断4 相连。 3 3 3 读键盘值程序设计 在本系统中s 3 c 4 4 b o x 主要实现向z l g 7 2 8 9 发送指令、传输数据。通过z l g 7 2 8 9 来控制键盘。其流程图如下： 开始 = 二二墨至! 丝堡：多 v 卜一 开启z l g 7 2 8 9 ( c s 有效) 向z l g 7 2 8 9 发送读键值命令 n鬯 关闭鳓2 8 9 ( c s 为高电平) 接收键值并存放在全局变量中 图3 - 8 读键盘值程序流程图 在程序设计过程中，通过查找键盘映射表来确定键盘扫描码对应的按键值。本程 序设计中键盘映射表为： 内蒙古师范大学硕士学位论文 u n s i g n e dc h a rk e y b o a r d _ m a p 】= 4 ，8 ，1 1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，5 ，9 ， 1 2 ，1 5 ，1 ，o ，o ，0 ，6 ，l o ，1 3 ，1 6 ， 2 ，3 ，0 ，0 ，7 ，0 ，1 4 ，0 ，0 ，0 ， 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ， 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ， 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ， 0 ，0 ，0 ，0 ) ； 3 4 音频模块 3 4 1 音频系统简介 如果设计音频应用产品，i i s 总线接口是必须的。i i s ( i n t e r i cs o u n d ，内置集 成电路音频总线) 接口即集成音频接口，是s o n y 、p h i l i p s 等电子巨头提出的串行 数字音频总线协议，它是一种面向多媒体的音频总线，专用于音频设备之间的数据传 输。s 3 c 4 4 b o xi i s 接口可以发送和接收采样量化过的声音数据，它为外部的c o d e c 芯片提供工作主时钟、数据收发时钟和左右声道选择信号。具体的采样量化工作留给 c o d e c 芯片完成。在接收方向，c o d e c 将模拟声音采样量化；在发送方向，c o d e c 将声音数据还原为模拟声音。 本设计中所使用的c o d e c 芯片是- u d a l 3 4 1 t s 。u d a l 3 4 1 t s 是p h i l i p s 公司 推出的一款经济高效的语音芯片，它能同时实现a d 和d a 转换，是开发立体 声设备和便携式音响的理想选择。 图3 - 9 是s 3 c 4 4 b o x 芯片和u d a l 3 4 1 t s 音频编解码芯片的连接示意图。 u d a l 3 4 1 t 和s 3 c 4 4 b o x 通过i i s 总线传输音频数据，控制数据通过u d a l 3 4 1 t s 的 l 3 接口传输，但是s 3 c 4 4 b o x 并没有提供标准的l 3 接口，可以通过3 个g p i o 引脚 模拟l 3 接口时序，实现与u d a l 3 4 1 t s 的l 3 接口相连。u d a l 3 4 1 t s 芯片集成了 数字化音频和混频器功能，可以播放数字化声音或录制声音( 常把此类芯片称为 c o d e c 设备) ，它可以外接传声器和扬声器。 1 4 第三章音频系统子模块的设计 内 存 缓 冲 区 内 部 总 线 面塑堂里骐 b d m a 0 l l ，一 - o r 一 频 数 据 立 一 频 数 据 i i s 控制器ki i s 总线 图3 - 9 音频系统体系结构图 3 4 2l ls 总线概述 s 3 c 4 4 b o xi i s 接口能用来连接_ 个外部8 1 6 位立体声声音c o d e c 。 1 、特征 ( 1 ) 支持i i s 格式与m s b - j u s t i f i e d 格式，每个通道1 6 f s ，3 2 f s 或4 8 f s 的串行位时 钟( 为采样频率) ； ( 2 ) 每个通道可以8 位或1 6 位数据格式； ( 3 ) 2 5 6 或3 8 4 主时钟； ( 4 ) 时钟和外部c o d e c 时钟的可编程的频率分频器； ( 5 ) 3 2 b ( 2 x 1 6b ) 的发送和接收f i f o ( 每个f i f o 组织为8 半字) ： ( 6 ) 正常和d m a 传输模式。 2 、l ls 总线结构 如图3 1 0 所示，b r f c 包括总线接口、内部寄存器和状态机，控制总线接口逻 辑和f i f o 访问；3 位的双分频器包括一个作为i i s 总线主设备的时钟发生器，另外 一个作为外部编解码器的时钟发生器；1 6 b 发送和接收f i f o 完成发送数据写入发送 f i f o ，接收数据从接收f i f o 中读出功能；主设备串行比特时钟发生器( 主设备模式) ， 将从主设备时钟中分频得到串行比特数时钟；声道发生器和状态器生成和控制 i i s c l k 和i i s l r c k ，并且控制数据的接收和发送：1 6 位移位寄存器在发送数据时将 数据由并变串，接收数据时作相反的动作。 内蒙古师范大学硕士学位论文 a d d r d d i a c n t l 1 6 b 总线控制 - - i 一 发送f i f o i i s c l k - 移位寄存器l + 一 f i f 0 控制 i i s l r c k ( b r f c ) 叫接嘏f 。卜 发生器 t 和声道控制 。 i 。 3 位分频器a h i i s 主时钟 - ( c h n c ) 3 位分频器b 发生器 图3 1 0i i s 总线结构框图 i i s d i i i s d o i i s c l k i i s l r c k c o d e c l k 3 、i i s 总线接口的传输方式 i i s 接口共有三种数据传输模式1 2 】： ( 1 ) 正常传输模式 i i s