嵌入式网络MP3设备的设计与应用

发 布 时 间 : 2008-11-17 来 源 : 来自网络 作 者 : 匿名 浏 览 :
摘 要: 本文详细介绍了一种基于S3C4510B ARM7处理器和VxWorks实时操作系统的网络MP3设备的设计原理和调试方法,分析了由这种设备构成的网络MP3系统的体系结构和工作方式,指出了其在星级宾馆、长途巴士、旅客列车、语音会议等公共语音广播领域的广泛应用前景。

网络MP3概述
MP3主要是指MPEG1 layer3和MPEG2 layer3,最新的MPEG2.5 layer3则提供了更为高效的压缩编码方法。由于MP3提供了高保真、低码率的语音数据,因此被广泛应用于各种消费类电子领域。典型的如:MP3随身听、新型的车载音频设备等。这些设备具有大容量的Flash存储器(一般在32MB以上)和标准的外设接口,可以从计算机甚至Inetrnet上下载MP3音乐并进行本地存储和离线播放,能够满足个人应用需求。

网络MP3设备开发
本项目涉及的网络MP3设备及应用系统有别于传统的个人MP3设备。它具有标准100M以太网接口和红外遥控接口,在实时软件的控制下,能够从以太网获取MP3数据流,并且无需本地存储而进行实时播放。在MP3编解码芯片MAS3587F的配合下,能够同时完成MP3流媒体的播放和对MIC输入的MP3录音功能。由多个网络MP3设备构成的MP3系统有一个网络MP3服务器(也可以是嵌入式设备),它用于存储MP3数据库并对整个系统进行管理和控制。
功能指标要求及处理器选型
根据项目需求分析报告和项目任务书的要求,网络MP3设备应满足以下功能与指标要求。
音频编码和播放功能。主要包括:支持对输入模拟音频信号的MPEG1/2 layer3编码;支持MPEG1/2/2.5 layer3压缩位流的解码;支持数字混音、数字音量和高低音调节。
遥控与播放管理功能。主要包括:支持红外遥控器,遥控器接收端与网络MP3设备采用RS-232接口;在服务器的控制下实现对MP3音频数据流的控制;具有弹入弹出功能。
网络功能。主要包括:基于TCP/IP协议的管理控制与数据交换;故障自动侦测、告警与设备挂起;设备自动检测与识别;支持设备编码;支持IP地址。
在性能与成本的双重约束下,本设计进行了处理器及实时软件系统的选择分析。对处理器而言,应具备100MHz以太网接口、UART以及I2C接口或可扩展相应的接口。传统的单片机系统显然不能满足性能和实时性要求,而采用通用微处理器加以太网控制器的方式显然会增加设备成本,因此决定采用网络处理器。通过多方调研,选出两种网络处理器:Samsung ARM7处理器S3C4510B和Motorola PowerPC处理器MPC860T。两者均具有片内100M以太网MAC。相比较而言,两者性能相当,但Samsung ARM7处理器S3C4510B有着非常显著的批量成本优势。而且由于ARM处理器的广泛使用,国内许多EDA开发工具供应商也提供了性价比非常高的开发工具解决方案,使得开发成本也大幅度降低,因此本设计决定采用S3C4510B ARM处理器作为核心处理器。
在实时操作系统方面,由于网络MP3设备的实时性要求较高,而且单个网络MP3设备的网络数据传输效率对整个系统的设备容量有较大的影响,因此,需要采用硬实时操作系统作为软件平台。在第一阶段采用VxWroks RTOS作为网络MP3设备的软件平台。
网络MP3设备设计原理
基于ARM7的网络处理器S3C4510B和硬实时操作系统VxWorks的网络MP3设备结构组成框图如图1所示。
CPU是主频为50MHz的S3C4510B ARM7微处理器,主要完成以太网管理控制和数据流的收发。将MP3音频数据流送入解码芯片MAS3587F进行解码和播放控制,通过MAS3587F获取MP3编码数,在系统主控服务器的控制下广播数据流。另外,还通过RS-232接口接受遥控器命令并解释执行。
MP3编解码,尤其是MP3编码(即MP3录音)需要巨大的运算量,传统的方法是由计算机软件或专用DSP芯片实现,在本项目中由于S3C4510B是网络处理器,其数字信号处理能力是相对薄弱环节,因此采用了单芯片MP3编解码芯片MAS3587F来实现MP3的编解码功能。
另外,网络MP3设备内存采用16MB高速SDRAM HY57V281620,用于程序运行、数据空间和缓存;程序固化存储器采用2MB Flash AM29LV160,该存储器不仅可存储如:MAC地址、IP地址非易失数据,还可用于预存部分MP3数据。红外遥控器采用市场上大量流通的红外收发管进行设计。
以太网部分在ARM7处理器S3C4510B内置100MHz以太网MAC的基础上,采用了性价比非常高的RTL8201BL新型PHY,能够自适应进行10M/100Mbps网络数据传输。
在这样的设计框架下,单套网络MP3设备的核心数字部分成本可以控制在200元左右,能够适应绝大部分应用场合的低成本需求。
网络MP3设备开发调试
网络MP3设备的开发调试包括硬件平台设计与调试和实时软件设计与调试。
硬件平台由PADS的PowerLogic及PowerPCB完成原理图和PCB设计。硬件平台装配完毕后,利用Embest IDE for ARM 集成开发环境和JTAG调试器编写测试程序,配合Tektronix 数字示波器对目标板上的各部分硬件设计进行功能测试。基于三星公司提供的SDNS100开发板VxWorks BSP模板进行针对网络MP3目标板的BSP代码编写和测试。在硬件设计过程中,还利用Xilinx公司的Foundation ISE集成开发环境对板上的可编程逻辑器件XC9572XLVQ64进行开发,完成处理器外围胶合逻辑的设计。
实时软件系统的开发主要由基于WindRiver公司的Tornado II for ARM集成开发环境完成。该集成开发环境包含了VxWorks实时操作系统、ARM7编译器、调试器和WindView等诸多代码和任务分析工具,可以通过串口和以太网实现对目标板实时软件系统的多种模式、全功能快速调试。
软件系统开发完成后,制作成Bootable VxWorks应用程序映像文件,通过Embest IDE和JTAG仿真器将映像文件固化到Flash中,即可脱离调试环境实时运行。

网络MP3应用系统框架
网络MP3设备只有在一个有中心服务器管理和控制下的系统中才能发挥最大效能。典型的网络MP3应用系统框架如图2所示。
网络MP3应用系统的主体框架建立于组播网络之上,在通常状态下,网络MP3服务器以广播或组播的方式发送背景音乐或其它语音信息。网络MP3终端设备可以根据用户的请求发送点播请求,服务器响应点播请求后即建立一对一的点播通道。任一个网络MP3终端设备(用户)均可发起MP3点播请求。能够建立的点播通道数量取决于网络带宽和网络延迟(在100M以太网条件下,系统在处理250个点播通道时约耗费30%的网络带宽资源)。当有重要通知或语音信息时,可建立插播通道,这个通道的优先级高于任何一个广播、组播或点播通道的优先级,为无条件播放模式,可用于播放重要通知或事故告警等特殊用途。此外,每一个网络MP3终端还可发起寻呼。即网络MP3终端设备对MIC输入信号进行MP3编码后广播、组播或单播到其它网络MP3终端,这项功能可用于语音会议讨论或语音教室系统。
在上述网络MP3应用系统框架体系结构下,网络MP3网络中主要存在这两个逻辑通道:控制总线(CBUS)和数据总线(DBUS)。控制总线主要传递各种管理和控制命令,而数据总线则主要传输音频MP3数据流。典型的网络MP3应用系统软件框架如图3所示。

网络MP3系统应用前景
网络MP3系统可广泛应用于星级宾馆的客房音乐系统、长途巴士、旅客列车以及语音会议和语音教室等公共语音广播应用领域。典型的如星级宾馆客房音乐系统的应用,这是一种全数字化的解决方案,可利用星级宾馆现有的局域网信息接口,无需对现有线路进行任何改造即可完成安装。通过共享MP3音乐库的方式,给入住客人提供多样、优质的音乐享受。同时该设备还具有客房服务语音请求、客房通知以及意外情况(如火灾)紧急疏散广播等附加功能。在长途巴士和旅客列车上,提供旅客MP3音乐定向点播服务也是一种全新的富有前景的服务内容。此外,由于网络MP3具有对语音信号的实时MP3编码功能,而且,它具有体积小、成本低、可靠性高、具备网络接入功能等诸多优点,比传统的计算机软件编码或计算机插卡MP3录音方式有显著的优势,因此,该设备也可应用于广电系统中专业的MP3录音应用领域。

结语
网络MP3设备开发完成后,首先在某酒店客房音乐系统中得到实际工程应用并获得了用户的好评。同时我们研制的、适合于长途巴士的嵌入式网络MP3系统车载服务器也投入了工程使用。相信随着网络MP3设备及系统工程化过程的不断推进,网络MP3将应用于越来越多的消费领域,并将产生积极的经济效益和社会效益。



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