ARM体系课程设计实验报告

TOC\o"1-5"\h\z1绪论 1\o"CurrentDocument"2课程设计的目标 2\o"CurrentDocument"3课程设计的意义 24需求分析 35概要设计 3\o"CurrentDocument"5.1存储模块设计 4\o"CurrentDocument"5.2音频解码模块设计 4\o"CurrentDocument"5.3液晶显示模块设计 5\o"CurrentDocument"6相关技术说明 6\o"CurrentDocument"VS1003的初始化 6\o"CurrentDocument"MP3文件数据写入 87详细设计 10SD模块 10VS1003模块 147.3图形人机交互模块 16168.总结16绪论随着消费类电子产业的蓬勃发展，越来越多的嵌入式电子产品走进了千家万户。电脑的形态也不再局限于以前的PC机，各式各样的嵌入式系统出现在了众多的行业和应用中，其中ARM和Linux结合的产品在市场上最受青睐。ARM由于其低功耗、高性能、小体积、低成本受到了越来越广泛的重视，成为众多公司产品开发的主流硬件。而Linux则因其开放的源代码，可裁剪的内核，便利的开发环境，各硬件平台的通用性，逐渐成为嵌入式开发的主流操作系统。本课题的嵌入式MP3设计就是基于ARM和linux平台的。本课题实现了一个完整的嵌入式系统，选用zq2410开发板为目标平台，linux作为目标操作系统，在这样的软硬件环境下研究实现MP3播放器。文章首先综述了嵌入式系统开发方法，介绍了ARM处理器及其特点，Linux操作系统，嵌入式系统的开发模式以及如何搭建交叉开发环境，然后介绍了所选硬件平台zq2410目标板的各种资源，在系统软件开发中，介绍Uboot、Linux的裁剪和移植，根文件系统的制作以及核心驱动程序的开发，应用程序开发中，介绍了MP3的原理，移植MadplayMP3播放器，最后成功对Madplay播放器实现了综合控制。关键词：嵌入式ARMLinux驱动程序MP3第一章课程设计的目标1、 了解嵌入式Linux的工作原理，掌握嵌入式Linux的移植方法。2、 了解主流BootloaderUboot的工作原理。3、 掌握嵌入式Linux字符设备驱动程序开发方法。4、 掌握嵌入Linux下应用程序的开发、编译、调试、执行技术。5、 掌握MP3播放程序madplay的移植与测试。拟解决的关键问题：•嵌入式linux的移植裁剪•LED驱动程序设计及测试•MadPlayMP3播放程序移植及测试第二章课程设计的意义《ARM体系结构》课程设计为学生提供了一个理论与实践相结合的机会。既锻炼了学生动手能力，又会加深理解学生在课堂所学习的理论知识。通过课程设计可以将课本上的理论知识和实际应用有机的结合起来，培养学生又动脑，又动手，独立思考分析问题的能力，提高学生运用所学知识解决实际问题的综合素质。《ARM体系结构》课程设计的主要目标是：（1） 掌握ARM相关的指令集、流水线技术、存储及异常处理方式；（2） 掌握构建嵌入式系统软硬件平台的基本技能；（3） 具备基本嵌入式系统下C语言、汇编语言编程能力、嵌入式操作系统基本调试的能力。第三章需求分析采用STM32系列微控制器，结合解码芯片VS1003、SD卡、LCD等外围设备设计并实现了MP3播放器。其主要功能有:播放VS1003支持的所有音频文件，女口MP3、WMA、WAV文件，且音质非常好；通过触摸屏实现按键功能，控制播放上一首/下一首、音量增减等；通过LCD显示歌曲名字和播放状态；本系统还实现了读卡器功能，PC机可通过USB接口直接对开发板上的SD卡进行读写操作，以方便拷贝音频文件。MP3播放过程是STM32通过SPI1接口将数据从SD卡中取出，然后通过SPI2接口送至解码芯VS1003解码播放。这里解码模块单独使用一个SPI接口，以减小干扰和噪声、提高音质。第四章概要设计本系统在硬件上分为6个模块：微控制器STM32F103、解码模块VS1003、存储模块SD卡、触摸屏、USB接口和显示屏LCD。系统硬件框架如图5所示。VS1003 STM32系统硬件框架图4.1存储模块设计SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，而SPI方式采用4线制，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。可用不同的初始化方式使SD卡工作于SD方式或SPI方式。在本设计中，音频数据MP3文件是以SD卡为载体。所以在电路设计中必须含有读取SD卡模块。该系统使用STM32内部接口SPI1与SD卡进行通信，下面介绍其引脚连接情况。PE3:低电平有效，连接到SD卡的片选引脚CD/DAT3。SPI在和SD卡进行通信时，需要将PE3拉低才能对SD卡进行操作。PA7:映射为STM32内部接口SPI1的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，SD卡是设备。数据流的传输方向是从STM32传输给SD卡。该信号线用于传输一些控制命令来完成SD卡的操作，如读、写等。PA5:已连接至IJSTM32内部接口SPI1的时钟(SCLK)信号线。可设置SPI的时钟频率来调整读取SD卡数据的快慢。PA6:已连接到STM32内部接口SPI1的主输入从输出(MISO)信号线。数据的传输方向是从SD卡传输给STM32，主要返回SD卡的一些状态、内部寄存器值等。PC12:用于检测SD卡是否完全插入。当SD卡完全插入时，PC12为低电平，否则为高电平。4.2音频解码模块设计音频解码模块完成MCU从SD卡里读取的数字MP3音频数据流进行解析、并转化成模拟信号进行输出。在这里，系统使用VS1003音频解码芯片来实现音乐数据流的解析。VS1003是由芬兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA音频解码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP,5K的指令ROM, 0.5K的数据RAM，串行的控制和数据输入接口，4个通用I/O口，一个UART口，同时片内带有一个可变采样速率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器接口。VS1003与核心控制器MSP430F149的数据通信是通过SPI总线方式进行的。VS1003主要通过串行命令接口(SCI)和串行数据接口(SDI)来接收MSP430F149控制器的控制命令和MP3的数据。通过XCS、XDCS引脚的置高、置低来确认是哪一个接口处于传送状态。对于VS1003芯片的功能控制，如初始化、软复位、暂停、音量控制、播放时间的读取等，均是通过SCI写入到特定寄存器的内容来实现的。两条SCI指令之间要通过DREQ引脚信号判断上次处理是否完成。该系统使用STM32内部接口SPI2与VS1003进行通信，下面介绍其引脚连接情况。PA3:VS1003的中断请求引脚。当VS1003内部数据已处理完毕，需要新的数据时，将DREQ拉高。STM32根据这个信号来给VS1003发送新的数据流。PB13:已连接到STM32内部接口SPI2的时钟(SCLK)信号线。PB14:已连接到STM32内部接口SPI2的主输入从输出(MISO)信号线。这里STM32是主设备，VS1003是从设备。数据流的传输方向是从VS1003传输给STM32。主要用于读取VS1003的一些状态和内部寄存器值，比如寄存器测试返回的内部寄存器的值。PB15:已连接到STM32内部接口SPI2的主输出从输入(MOSI)信号线。这里STM32是主设备，VS1003是从设备。数据流方向是从STM32传输给VS1003，主要传输给VS1003—些控制命令、MP3/WMA数据流等。PA1:低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是控制信号。控制信号包括读写VS1003的内部寄存器、对VS1003进行初始化、设置左右声道音量等。PA2:低电平有效，如果拉低该引脚，那么通过SPI传输的是数据信号。比如在向VS1003传输MP3/WMA的数据流时需要拉低该引脚。PA0:低电平有效，拉低该引脚则硬件复位VS1003。4.3液晶显示模块设计LCD3310芯片是一个48行84列的液晶显示器主要模块。其内存带有低功耗PCD8544的CMOSLCD控制驱动器，串行输入速度最高可达4.OMbits/S,而且所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，所以LCD3310是一款低功耗的液晶显示器。为了让LCD3310液晶能够显示4行12*12的汉字，系统开辟了一个6*84字节的缓冲区，要写液晶时，就不用直接写LCD3310的静态DDRAM了，可以先写系统为它开辟的数据缓冲区，最后再刷新修改的部分就可以显示出要显示的内容，LCD3310与主控制器是SPI接口方式。第五章相关技术说明5.1VS1003的初始化如其它芯片一样，初始化对于VS1003来说同样是极其重要的。初始化的过程大致是这样的：1•硬件复位：接XRESET拉低。2•延时，将XDCS、XCS、XRESET置高。向MODE中写入0X0804。等待DREQ为咼。设置VS1003的时钟：SCI_CLOCKF=0x9800,3倍频。设置VS1003的采样率：SPI_AUDATA=0xbb81，采样率48k，立体声。设置重音：SPI_BASS=0x0055。&设置音量：SCI_V0L=0x2020。9•这一步被很多人忽视，向VS1003发送4个字节的无效数据，用以启动SPI发送。实现代码如下：voidMp3Reset(void){XRESET=0;delay(lOO);XDCS=XCS=XRESET=1;wr_commad(0x00,0x08,0x04);delay(lO);DREQ=1;while(!DREQ);wr_commad(0x03,0x98,0x00);delay(lO);wr_commad(0x05,0xbb,0x81);delay(lO);wr_commad(0x02,0x00,0x55);delay(lO);wr_commad(OxOb,VOL_VALUE,VOL_VALUE);//音量delay(lO);spi_write(0);spi_write(0);spi_write(0);spi_write(0);在进行了正确的初始化后，还要着重检查一下VS1003的模拟部分是否正常将VS1003的所有DVDD、AVDD管脚以及XRESET、TEST（第32个引脚）接+3.0V,然后测量RCAP引脚，它应该是1.3V左右，否则芯片模拟部分未正常工作。MP3文件数据写入以上的对VS1003的初始化与测试都通过后，现在就可以给它发送MP3文件了。但是这时就又出现一个新的问题。MP3文件通常是比较大的，小的也要1M~2M,如果使单片机内部的FlashRom的话，容量是远远不够的。需要有一种大容量的存储器来作为MP3文件的载体。在笔者的调试系统中采用了SD卡（256M）、U盘（1G）与移动硬盘（40G）来存储MP3文件。关于SD卡与U盘的读写方法可以参看相关章节。这些大容量的存储设备通常也是按照扇区来进行读写的，但在实际的应用中更多的是结合FAT32等文件系统来进行文件读写。文件系统部分可以参照《FAT32的存储机制及其在单片机中的实现》。这里抛开存储介质不谈，只谈数据的写入方法。其实写入数据的方法十分简单。主要就是看DREQ信号，在VS1003的FIFO能够接受数据的时候输出高电平。每次可以写入32个字节的数据。而DREQ变低时，单片机就要停止数据的发送。具体的写数据的方法如下：将XDCS拉低。等待DREQ为咼。3•通过SPI写入数据。4•在文件没有结束前不断重复2与3操作。5•在所有的数据都发送完毕后，最后发送2048个无效字节，用以清除VS1003的数据缓冲区。将XDCS置高。实现代码如下：XDCS=O;for(j=621;j〈2783;j++){for(k=0;k<8;k++){MMC_get_data_LBA(j,64,get);for(i=0;i<64;i++){DREQ=1;while(!DREQ);spi_write(get[i]);//delay(60000);}}}for(temp=0;temp〈2048;temp++){DREQ=1;while(!DREQ);spi_write(0);}XDCS=1;第六章详细设计发送数码管显示4f(voice_global==l&PWMMR2!=0)PWMMR2-=PWMMR0/10;elseif(voice_global==2&PWMMR2!=9*(PWMMR0/10))PWMMR2+=PWMMR0/10;else;//***************上一■曲下一■曲********************//if(b_n_global==3){if(flag_b_n==O)flag_b_n=l;elseif(flag_b_n==4)flag_b_n==l;elseflag_b_n++;}if(b_n_global==4){if(flag_b_n==O)flag_b_n=4;elseif(flag_b_n==l)flag_b_n==4;elseflag_b_n—;}if(flag_b_n==O){for(i=temp;i<sizeof(HCMMl);i++){PWMMR0 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