于基arm的mp3数字音频播放系统软件大学论文Word文档下载推荐.docx

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Abstract................................................................II

1绪论

1.1课题来源和背景....................................................

（1）

1.2课题研究的现状与意义..............................................

（2）

1.3数字音频解码算法的实现方法........................................

（2）

1.4本论文所做工作和以及需解决的关键问题..............................（3）

2系统总体设计方案及其硬件环境

2.1总体设计目标.......................................................（4）

2.2系统总体设计方案..................................................（4）

2.3系统设计硬件环境..................................................（6）

2.4软件开发平台简介..................................................（9）

2.5小结..............................................................（10）

3uC/OS-II操作系统移植

3.1uC/OS-II简介......................................................（11）

3.2移植要求..........................................................（12）

3.3uC/OS-II内核机制...................................................（13）

3.4uC/OS-II的移植步骤.................................................（15）

3.5小结..............................................................（20）

4数字音频播放系统软件设计与实现

4.1系统的启动........................................................（21）

4.2USB通信的设计流程..................................................（25）

4.3Flash文件系统结构及其存储管理......................................（37）

4.4MP3播放流程设计...................................................（42）

4.5人机界面的设计...................................................（47）

4.6小结..............................................................（50）

5总结与展望

5.1全文总结..........................................................（52）

5.2进一步的展望......................................................（52）

致谢...................................................................（54）

参考文献...............................................................（55）

基于ARM的mp3数字音频播放系统软件

姓名：

胡靖宇

专业：

电子信息科学与技术

指导教师：

李建

摘要

随着超大规模集成电路和数字电子技术的发展，以MP3为代表的消费类电子产品广泛的应用在我们的生活中，数字音频技术得到了长足的发展，而ARM技术也是当前研究的热点之一。

与传统的数字产品相比，利用ARM技术开发的产品有其自己的特点，结合ARM微处理器和操作系统，使MP3播放器的数字音频处理更加灵活，播放性能更加优化，同时使得整个系统的功能更加的全面。

本文结合数字音频技术和ARM嵌入式系统两个前沿技术，以SG850微处理器为核心，提出了基于ARM嵌入式的MP3数字音频播放系统解决方案。

本文以基于ARM嵌入式的MP3数字音频系统的软件设计与实现过程为主要内容，阐述了其相关技术和具体实现流程，其中重点分析了uC/OS-II操作系统的移植以及在其基础上的USB通信的实现过程和MP3播放的处理流程。

在操作系统移植方面，在研究uC/OS-II的内核机制的基础上，分析与处理器相关的代码文件并进行了相关的修改，给出了uC/OS-II的具体移植步骤；

在USB通信方面，将播放系统视作海量存储设备，利用BULK_ONLY传输协议来实现设备与主机的USB通信，且采用了Flash存储管理机制解决了传输数据存储丢失的问题；

在MP3播放处理方面，研究DMA内存管理机制，设计了双缓冲模式，给出了MP3播放处理流程，实现了大数据量音频数据的播放。

测试结果表明，本文所实现的MP3音频播放系统达到了预期的目标，同时因为在系统架构上的技术优势，系统可以方便的进行功能扩充。

关键词：

数字音频；

ARM；

uC/OS-II操作系统；

移植；

USB通信；

SG850

ARMbasedontheMP3digitalaudiobroadcastingsystemsoftware

Name：

HuJing-yu

Major：

Electronics

Tutor：

Lijian

Abstract:

Withthedevelopmentofultra-large-scaleintegratedcircuitsanddigitalelectronictechnology,MP3astherepresentativeconsumeroftheelectronicsproductsarewidelyusedinourdailylife.DigitalAudioTechnologyachievesaconsiderabledevelopment,inwhichARMtechnologyisoneofthehotonecurrently.Comparedwiththetraditionaldigitalproducts,theonebyusingofARMtechnologyhasitsownfeatures.CombiningARMmicroprocessorsandoperatingsystems,MP3PlayerDigitalAudioprocessingismoreflexibleandPerformanceOptimizationismoremodified,furthermore,thewholesystemfunctionismorecomprehensive.Onthebasisofthetwoadvancedtechnology--DigitalAudioTechnologyandARMEmbeddedSystem,aswellasSG850microprocessorasthecore,thepresentstudyputsforwardthesolutionsofMP3digitalaudioplayingsystemembeddedbyARM.RegardingthedesignandimplementationprocessofMP3DigitalAudioplayingSystemsoftwarebasedontheARMEmbeddedasthemaincontent,thispaperdescribestherelatedtechnologiesanditsspecificprocesses,inwhichfocusesontheanalysisofthetransplantationoftheuC/OS-IIoperatingsystemandtheundertakenprocessofUSBCommunicationonthefoundationofthissystemaswellasthemanipulationprocessofMP3player.Inthetransplantationofoperatingsystem,basedonthestudyofuC/OS-IIkernelmechanism,thepresentstudyanalyzesthecodedocumentsrelatedwiththeProcessingequipmentandmakestherelevantamendmentswhichprovidingthespecificstepsofthetransplantationofuC/OS-II.InUSBcommunication,regardingthebroadcastsystemasmassstoragedevices,bytheutilityoftransmissionequipmentofBULK_ONLY,itachievestheagreementwiththehostUSBcommunication.Moreover,thisstudyhasresolvedtheproblemofthelossofdatatransmissionbytheusageofFlashmemorymanagementmechanisms.InMP3playerdisposal,thisthesisinvestigatestheDMAmemorymanagementmechanismsanddesignsthedouble-buffermode,whichproposesthetreatmentprocessofMP3playerandachievestheplayingofalargevolumeofaudiodata.Thispaperindicatesthat,thechievementofMP3audioplayingsystemisthepracticalproductsareobtainedthedesiredgoals.Meanwhile,asthetechnicalsuperiorityofthesystem’sconstruction,thesystemcaneasilyexpandthefunctionality.

Keyword:

DigitalAudio-frequency;

ARM;

uC/OS-IIOperateSystem;

Transplantation;

theCommunicationoftheUSBInterface;

SG850

1.1课题来源和背景

本课题由深圳迪斯比科技有限公司提供，属于公司合作项目。

现代社会正步入一个信息化的时代，信息技术以前所未有的速度广泛地应用于社会生活的各个方面，改变着人们的工作、生活和学习方式，并对社会的政治、经济、军事、文化等各个领域产生深远影响。

信息化发展水平已成为衡量一个国家、一个城市现代化水平和综合实力的重要标志。

信息技术在保持和提高一个国家的经济发展和社会发展方面，已成为重要因素，信息技术是经济发展的关键，也将会引起社会生活的明显变化。

进入20世纪80年代以来，随着超大规模集成电路和数字电子技术的发展，数字通信设备、计算机、光器件和视听产品得到了革命性的发展，使人们进入了数字信息时代。

在数字化潮流的驱动下，消费类电子产品已被视为继信息产品之后，推动市场成长的重要力量。

在提高消费类电子产品的性能与个性化需求的驱动下，企业界纷纷加大研发投入，不断融入新的技术。

在数字音频技术方面，WAV、MPEG和WMA相继出现的同时，MP3也正如暴风雪一般横扫整个音乐界，可见数字音频领域的研究有着非常广阔的前景[1]。

本文采用了ARM微处理器作为整个音频播放系统的控制和管理单元。

ARM（AdvancedRISCMachines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术。

1991年ARM公司成立于英国剑桥，是一家既不生产芯片也不销售芯片的公司，主要出售芯片设计技术的授权。

目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位的RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面[2]。

本课题的出发点即为研究数字音频技术在ARM嵌入式系统中的应用，结合数字音频和ARM嵌入式系统这两个前沿技术，设计一个基于ARM嵌入式系统的数字音频播放系统。

1.2课题研究的现状与意义

与传统的通用计算机，数字产品相比，利用ARM嵌入式系统技术开发的产品有其自己的特点，结合ARM微处理器和操作系统，使数字音频处理更加灵活，数字音频的播放性能更加优化，同时使得整个系统的功能更加的全面[3]。

在硬件上影响数字音频播放器性能的两个主要因素是中央处理器和解码芯片。

对于软件解码方式，没有解码芯片，系统硬件采用单芯片模式；

对于硬件解码方式，系统硬件采用含数字音频解码芯片的双芯片模式。

其中双芯片的好处在于分离解码芯片与控制芯片，这样能够带来更为出色的解码效果，但价格昂贵；

单芯片为了简化结构牺牲了音质，但这样产品的性价比高，适合中国的国情[4]。

当今国内市场上的数字音频播放器根据生产厂商的不同主要分为国内和国外两种。

其中国内厂商生产的数字音频播放器大多数出于对成本的考虑，在中央处理器只是使用了一些简单的单片机或专用的单机处理芯片，解码芯片也是使用类似STMicroelectronics或者Sigmate的中低端解码芯片，这种设计使得产品的功能简单、效果不佳；

而国外厂商生产的数字音频播放器一般定位在高端产品，大多数使用昂贵的专用处理芯片，采用Philips或者Telechips的高端解码芯片，这样虽然使得产品的整体性能有较大的提高，但昂贵的价格使我们望而却步[5]。

基于以上分析，本课题提出了一个比较优化的解决方案，在此采用的SG850是基于ARM7微处理器的单芯片形式，这里虽然采用了单芯片的硬件简化形式，但由于ARM微处理器芯片相比一般单片机具有更加强大的处理能力，以及其集成了音频DSP，使得整体设计方案的性能达到非常优化，同时更加适合符合市场需求。

1.3数字音频解码算法的实现方法

各种不同的编解码算法方案是根据不同的应用制定的，算法方案的实现方式也就与应用场合密切相关。

从总体上来讲，音频压缩算法有三种实现的方案：

（1）软件实现

这种方法使用于计算机上的音频应用和组合多种娱乐功能的便携式设备中，只需要进行音频数据的软件编解码过程。

编解码算法可以用各种编程语言实现，然后按照需要进行相应的解码或者存储、传输操作。

计算机之间交互音频数据、播放歌曲时，就使用的这种软件实现方法。

（2）硬件实现

这种方法使用于应用设备上的算法实现。

硬件电路根据算法原理对原始音频数据进行相应的处理变换，以获得所需要的数据格式。

在算法比较简单的情况下，硬件实现的速度非常快。

（3）软硬件实现

这类方法一般是针对在具体应用设备上，需要进行比较复杂的音频算法实现的情况。

应用设备要求实现相应的处理，但纯粹的硬件实现复杂度和技术难度都比较高，因此在硬件上嵌入处理器，处理器中实现算法的软件编程，从而实现整个应用系统的功能需求。

这样，具体使用哪种实现方案，需要根据具体情况来确定。

本论文实现的音频播放器解码采用软硬件实现方案，以SG850作为核心控制器的播放器，解码采用软件解码[6]。

1.4本论文所做工作以及需解决的关键问题

本文的主要工作包括uc/OS-II操作系统在ARM微处理器上的移植和ARM嵌入式MP3音频播放系统的软件设计与实现。

在本文内容安排上，首先对MP3音频播放系统进行总体方案设计，介绍系统开发硬件环境，以及确定开发平台；

接着介绍了uC/OS-II操作系统移植；

然后分为USB通信，Flash文件系统结构及其存储管理，人机界面以及音频解码四个部分，详细分析了各个环节的软件设计，提出解决方案；

最后对该课题设计作总结并展望它的未来发展趋势。

综观整个课题设计，其中拟解决的关键问题有以下四个：

（1）uC/OS-II嵌入式操作系统在ARM微处理器上的移植；

（2）实现数字音频文件上传下载的管理，与上位机（PC机）之间的USB通讯；

（3）实现音频数据在Flash上的存储管理，包括数据暂存技术和坏块管理技术；

（4）结合ARM微处理器，实现MP3数字音频格式文件的软件解码播放。

在加速度计信号传感器接收电路及信号处理方面，尽管已经有很多人做过研究，但大都是直接接收从传感器送来的模拟信号，通过硬件的方法滤波、放大、锁相、消除干扰等一系列处理来实现。

随着时间的发展，硬件在某些方面的不足逐渐暴露出来，例如电路一旦固定、难以更改；

无法进行微调；

价格昂贵等。

为了克服这些不足，本课题尝试将传感器传来的模拟信号经过一些相关处理后送入嵌入式微控制器，再通过软件的方法进行处理，这样，就可以让软件分担一部分硬件的功能，用于弥补因完全采用硬件处理所产生的不足，提高灵活性，降低成本。

第二章系统总体设计方案及其硬件环境

2.1总体设计目标

MP3数字音频播放器以嵌入式微处理器SG850为核心进行设计，要求：

（1）能够通过USB与PC机进行通信下载音频文件；

（2）能够播放全码流率的MP3格式；

（3）具有键盘输入、LCD显示和存储播放控制功能。

2.2系统总体设计方案

基于ARM嵌入式系统的音频播放系统从总体上可以分为硬件模块和软件模块两个部分。

硬件作为底层支持，主要起着数据存储、任务实施等功能；

而软件部分主要包括操作系统、USB通信模块、音频解码模块和人机界面模块等，主要协调硬件系统，起着任务管理、数据通信、音频播放等功能。

本文主要针对MP3音频播放系统的软件进行研究。

2.2.1软件总体设计方案

系统软件模块主要包括：

（1）Bootloader引导程序[7]

（2）操作系统软件

（3）USB固件及文件系统模块[8]

（4）Flash存储管理模块

（5）数字音频解码模块

（6）人机界面模块

Bootloader引导程序是整个程序结构的最底层，它运行在操作系统和文件系统之

前，结束于进入操作系统内核之后，主要作用是对SG850进行硬件初始化，异常处

理程序初始化[9][10]，外部存储器空间初始化，准备好C语言运行环境，并完成存储空间的重映射，然后将控制权交给操作系统内核。

uC/OS-II嵌入式操作系统是整个软件系统的核心，它负责调度各个任务的当前状态，在uC/OS-II嵌入式操作系统之上的是四个用户创建的任务，包括LCD显示任务、USB通讯任务、MP3数字音频解码录音任务和按键扫描任务，本文所要完成的软件设计主要包括uC/OS-II嵌入式操作系统的移植和上述四个任务的程序设计。

软件结构框图如图2.1所示：

图2.1软件结构框图

2.2.2系统软件工作流程介绍

系统上电后，Bootloader首先进行操作系统内核、文件系统加载，在操作系统运行成功后启动多任务的调度。

具体系统工作流程如图2.2所示。

在本文中，键盘是本系统的唯一输入设备，它负责控制各任务之间的通信。

作为系统的主任务，不同的按键产生不同的消息，系统进行相应的任务调度，响应用户的操作意图。

当按power键一下时候，传递系统开机消息，系统进行任务切换，调用LCD任务，进入主菜单模式；

开机状态任何模式长按power键2秒钟，产生关机消息，调用LCD任务，LCD显示关闭，CPU时钟关，进入关机状态；

在主菜单模式1分钟/3分钟/5分钟无任何按键操作且没有MP3放/录音任务，产生关机消息，自动进入关机状态；

在任何情况下1分钟无任何按键操作，调用LCD任务，LCD显示关闭，LCD背光关；

当按播放键时，系统调度LCD任务和MP3播放任务；

当设备通过USB口连接主机时，系统调度USB任务，与主机进行数据通信。

图2.2系统工作流程框图

2.3系统设计硬件环境

2.3.1SG850微处理器内部结构及其特点

SG850系列芯片是北京SiGma（希格玛）公司推出的针对16/32位嵌入式微处理器，集成了音频DSP，该MCU（MicroControllerUnit，微处理器）专为数字多媒体系统而设计，具有低成本和高性能的特点，其结构如图2.3所示。

图2.3SG850内部结构图

SG850内置ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI微处理器核，可执行32位的ARM指令，也可执行16位的THUMB指令，集成了多种外围部件，主要有以下一些主要特点：

（1）32位低功耗轻巧型RISC内核，0.9MIPS/MHz，支持小端模式，以及地址重定位；

（2）片内集成64KBSRAM，包含32KB