嵌入式網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘    要： 本文詳細(xì)介紹了一種基于S3C4510B ARM7處理器和VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和調(diào)試方法，分析了由這種設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)MP3系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和工作方式，指出了其在星級(jí)賓館、長途巴士、旅客列車、語音會(huì)議等公共語音廣播領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：ARM；MP3；S3C4510B；VxWorks；MAS3587F

網(wǎng)絡(luò)MP3概述
MP3主要是指MPEG1 layer3和MPEG2 layer3，最新的MPEG2.5 layer3則提供了更為高效的壓縮編碼方法。由于MP3提供了高保真、低碼率的語音數(shù)據(jù)，因此被廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)類電子領(lǐng)域。典型的如：MP3隨身聽、新型的車載音頻設(shè)備等。這些設(shè)備具有大容量的Flash存儲(chǔ)器(一般在32MB以上)和標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)接口，可以從計(jì)算機(jī)甚至Inetrnet上下載MP3音樂并進(jìn)行本地存儲(chǔ)和離線播放，能夠滿足個(gè)人應(yīng)用需求。

網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備開發(fā)
本項(xiàng)目涉及的網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的個(gè)人MP3設(shè)備。它具有標(biāo)準(zhǔn)100M以太網(wǎng)接口和紅外遙控接口，在實(shí)時(shí)軟件的控制下，能夠從以太網(wǎng)獲取MP3數(shù)據(jù)流，并且無需本地存儲(chǔ)而進(jìn)行實(shí)時(shí)播放。在MP3編解碼芯片MAS3587F的配合下，能夠同時(shí)完成MP3流媒體的播放和對(duì)MIC輸入的MP3錄音功能。由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備構(gòu)成的MP3系統(tǒng)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)MP3服務(wù)器(也可以是嵌入式設(shè)備)，它用于存儲(chǔ)MP3數(shù)據(jù)庫并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制。
功能指標(biāo)要求及處理器選型
根據(jù)項(xiàng)目需求分析報(bào)告和項(xiàng)目任務(wù)書的要求，網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備應(yīng)滿足以下功能與指標(biāo)要求。
音頻編碼和播放功能。主要包括：支持對(duì)輸入模擬音頻信號(hào)的MPEG1/2 layer3編碼；支持MPEG1/2/2.5 layer3壓縮位流的解碼；支持?jǐn)?shù)字混音、數(shù)字音量和高低音調(diào)節(jié)。
遙控與播放管理功能。主要包括：支持紅外遙控器，遙控器接收端與網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備采用RS-232接口；在服務(wù)器的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3音頻數(shù)據(jù)流的控制；具有彈入彈出功能。
網(wǎng)絡(luò)功能。主要包括：基于TCP/IP協(xié)議的管理控制與數(shù)據(jù)交換；故障自動(dòng)偵測(cè)、告警與設(shè)備掛起；設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別；支持設(shè)備編碼；支持IP地址。
在性能與成本的雙重約束下，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了處理器及實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的選擇分析。對(duì)處理器而言，應(yīng)具備100MHz以太網(wǎng)接口、UART以及I2C接口或可擴(kuò)展相應(yīng)的接口。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)顯然不能滿足性能和實(shí)時(shí)性要求，而采用通用微處理器加以太網(wǎng)控制器的方式顯然會(huì)增加設(shè)備成本，因此決定采用網(wǎng)絡(luò)處理器。通過多方調(diào)研，選出兩種網(wǎng)絡(luò)處理器：Samsung ARM7處理器S3C4510B和Motorola PowerPC處理器MPC860T。兩者均具有片內(nèi)100M以太網(wǎng)MAC。相比較而言，兩者性能相當(dāng)，但Samsung ARM7處理器S3C4510B有著非常顯著的批量成本優(yōu)勢(shì)。而且由于ARM處理器的廣泛使用，國內(nèi)許多EDA開發(fā)工具供應(yīng)商也提供了性價(jià)比非常高的開發(fā)工具解決方案，使得開發(fā)成本也大幅度降低，因此本設(shè)計(jì)決定采用S3C4510B ARM處理器作為核心處理器。
在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)方面，由于網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求較高，而且單個(gè)網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備容量有較大的影響，因此，需要采用硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)。在第一階段采用VxWroks RTOS作為網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的軟件平臺(tái)。
網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備設(shè)計(jì)原理
基于ARM7的網(wǎng)絡(luò)處理器S3C4510B和硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。
CPU是主頻為50MHz的S3C4510B ARM7微處理器，主要完成以太網(wǎng)管理控制和數(shù)據(jù)流的收發(fā)。將MP3音頻數(shù)據(jù)流送入解碼芯片MAS3587F進(jìn)行解碼和播放控制，通過MAS3587F獲取MP3編碼數(shù)，在系統(tǒng)主控服務(wù)器的控制下廣播數(shù)據(jù)流。另外，還通過RS-232接口接受遙控器命令并解釋執(zhí)行。
MP3編解碼，尤其是MP3編碼(即MP3錄音)需要巨大的運(yùn)算量，傳統(tǒng)的方法是由計(jì)算機(jī)軟件或?qū)Ｓ肈SP芯片實(shí)現(xiàn)，在本項(xiàng)目中由于S3C4510B是網(wǎng)絡(luò)處理器，其數(shù)字信號(hào)處理能力是相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，因此采用了單芯片MP3編解碼芯片MAS3587F來實(shí)現(xiàn)MP3的編解碼功能。
另外，網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備內(nèi)存采用16MB高速SDRAM HY57V281620，用于程序運(yùn)行、數(shù)據(jù)空間和緩存；程序固化存儲(chǔ)器采用2MB Flash AM29LV160，該存儲(chǔ)器不僅可存儲(chǔ)如：MAC地址、IP地址非易失數(shù)據(jù)，還可用于預(yù)存部分MP3數(shù)據(jù)。紅外遙控器采用市場(chǎng)上大量流通的紅外收發(fā)管進(jìn)行設(shè)計(jì)。
以太網(wǎng)部分在ARM7處理器S3C4510B內(nèi)置100MHz以太網(wǎng)MAC的基礎(chǔ)上，采用了性價(jià)比非常高的RTL8201BL新型PHY，能夠自適應(yīng)進(jìn)行10M/100Mbps網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。
在這樣的設(shè)計(jì)框架下，單套網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的核心數(shù)字部分成本可以控制在200元左右，能夠適應(yīng)絕大部分應(yīng)用場(chǎng)合的低成本需求。
網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備開發(fā)調(diào)試
網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備的開發(fā)調(diào)試包括硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與調(diào)試和實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試。
硬件平臺(tái)由PADS的PowerLogic及PowerPCB完成原理圖和PCB設(shè)計(jì)。硬件平臺(tái)裝配完畢后，利用Embest IDE for ARM 集成開發(fā)環(huán)境和JTAG調(diào)試器編寫測(cè)試程序，配合Tektronix 數(shù)字示波器對(duì)目標(biāo)板上的各部分硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行功能測(cè)試?；谌枪咎峁┑腟DNS100開發(fā)板VxWorks BSP模板進(jìn)行針對(duì)網(wǎng)絡(luò)MP3目標(biāo)板的BSP代碼編寫和測(cè)試。在硬件設(shè)計(jì)過程中，還利用Xilinx公司的Foundation ISE集成開發(fā)環(huán)境對(duì)板上的可編程邏輯器件XC9572XLVQ64進(jìn)行開發(fā)，完成處理器外圍膠合邏輯的設(shè)計(jì)。
實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要由基于WindRiver公司的Tornado II for ARM集成開發(fā)環(huán)境完成。該集成開發(fā)環(huán)境包含了VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、ARM7編譯器、調(diào)試器和WindView等諸多代碼和任務(wù)分析工具，可以通過串口和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)板實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的多種模式、全功能快速調(diào)試。
軟件系統(tǒng)開發(fā)完成后，制作成Bootable VxWorks應(yīng)用程序映像文件，通過Embest IDE和JTAG仿真器將映像文件固化到Flash中，即可脫離調(diào)試環(huán)境實(shí)時(shí)運(yùn)行。

網(wǎng)絡(luò)MP3應(yīng)用系統(tǒng)框架
網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備只有在一個(gè)有中心服務(wù)器管理和控制下的系統(tǒng)中才能發(fā)揮最大效能。典型的網(wǎng)絡(luò)MP3應(yīng)用系統(tǒng)框架如圖2所示。
網(wǎng)絡(luò)MP3應(yīng)用系統(tǒng)的主體框架建立于組播網(wǎng)絡(luò)之上，在通常狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)MP3服務(wù)器以廣播或組播的方式發(fā)送背景音樂或其它語音信息。網(wǎng)絡(luò)MP3終端設(shè)備可以根據(jù)用戶的請(qǐng)求發(fā)送點(diǎn)播請(qǐng)求，服務(wù)器響應(yīng)點(diǎn)播請(qǐng)求后即建立一對(duì)一的點(diǎn)播通道。任一個(gè)網(wǎng)絡(luò)MP3終端設(shè)備(用戶)均可發(fā)起MP3點(diǎn)播請(qǐng)求。能夠建立的點(diǎn)播通道數(shù)量取決于網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)延遲(在100M以太網(wǎng)條件下，系統(tǒng)在處理250個(gè)點(diǎn)播通道時(shí)約耗費(fèi)30%的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源)。當(dāng)有重要通知或語音信息時(shí)，可建立插播通道，這個(gè)通道的優(yōu)先級(jí)高于任何一個(gè)廣播、組播或點(diǎn)播通道的優(yōu)先級(jí)，為無條件播放模式，可用于播放重要通知或事故告警等特殊用途。此外，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)MP3終端還可發(fā)起尋呼。即網(wǎng)絡(luò)MP3終端設(shè)備對(duì)MIC輸入信號(hào)進(jìn)行MP3編碼后廣播、組播或單播到其它網(wǎng)絡(luò)MP3終端，這項(xiàng)功能可用于語音會(huì)議討論或語音教室系統(tǒng)。
在上述網(wǎng)絡(luò)MP3應(yīng)用系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)MP3網(wǎng)絡(luò)中主要存在這兩個(gè)邏輯通道：控制總線(CBUS)和數(shù)據(jù)總線(DBUS)。控制總線主要傳遞各種管理和控制命令，而數(shù)據(jù)總線則主要傳輸音頻MP3數(shù)據(jù)流。典型的網(wǎng)絡(luò)MP3應(yīng)用系統(tǒng)軟件框架如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)MP3系統(tǒng)應(yīng)用前景
網(wǎng)絡(luò)MP3系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于星級(jí)賓館的客房音樂系統(tǒng)、長途巴士、旅客列車以及語音會(huì)議和語音教室等公共語音廣播應(yīng)用領(lǐng)域。典型的如星級(jí)賓館客房音樂系統(tǒng)的應(yīng)用，這是一種全數(shù)字化的解決方案，可利用星級(jí)賓館現(xiàn)有的局域網(wǎng)信息接口，無需對(duì)現(xiàn)有線路進(jìn)行任何改造即可完成安裝。通過共享MP3音樂庫的方式，給入住客人提供多樣、優(yōu)質(zhì)的音樂享受。同時(shí)該設(shè)備還具有客房服務(wù)語音請(qǐng)求、客房通知以及意外情況(如火災(zāi))緊急疏散廣播等附加功能。在長途巴士和旅客列車上，提供旅客MP3音樂定向點(diǎn)播服務(wù)也是一種全新的富有前景的服務(wù)內(nèi)容。此外，由于網(wǎng)絡(luò)MP3具有對(duì)語音信號(hào)的實(shí)時(shí)MP3編碼功能，而且，它具有體積小、成本低、可靠性高、具備網(wǎng)絡(luò)接入功能等諸多優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件編碼或計(jì)算機(jī)插卡MP3錄音方式有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此，該設(shè)備也可應(yīng)用于廣電系統(tǒng)中專業(yè)的MP3錄音應(yīng)用領(lǐng)域。

結(jié)語
網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備開發(fā)完成后，首先在某酒店客房音樂系統(tǒng)中得到實(shí)際工程應(yīng)用并獲得了用戶的好評(píng)。同時(shí)我們研制的、適合于長途巴士的嵌入式網(wǎng)絡(luò)MP3系統(tǒng)車載服務(wù)器也投入了工程使用。相信隨著網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備及系統(tǒng)工程化過程的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)MP3將應(yīng)用于越來越多的消費(fèi)領(lǐng)域，并將產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 S3C4510B User’s Manual. Samsung Inc, 2001
2 VxWorks Programmer’s Guide. WindRiver Inc, 2002
3 徐欣. 網(wǎng)絡(luò)MP3設(shè)備軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告. 國防科技大學(xué). 2003
4 姜志宏. 網(wǎng)絡(luò)MP3系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告. 國防科技大學(xué). 2003