LPC1700系列為恩智浦半導(dǎo)體以第2代ARM Cortex-M3核心為基礎(chǔ)的微控制器，特別針對(duì)高性能低功耗的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，其支持最高120MHz時(shí)脈速度，最高512K位元FLASH以及64K位元SRAM.其集成豐富的外圍設(shè)備接口：以太網(wǎng)MAC、USB 2.0 Host/OTG/Device、CAN 2.0B、12位元ADC、10位元DAC、SPI/SSP、I2S、DMA等等。
Fig1.系統(tǒng)模塊圖
Helix MP3軟件解碼庫可解碼兼容于MPEG格式的MP3，并同時(shí)達(dá)成浮點(diǎn)和定點(diǎn)。其中定點(diǎn)特別針對(duì)32位元定點(diǎn)處理器達(dá)成最佳化。
本文介紹該方案的軟硬件設(shè)計(jì)，完整的軟件代碼可至恩智浦半導(dǎo)體官網(wǎng)下載http://ics.nxp.com/support/documents/microcontrollers/
二 系統(tǒng)概述
1.介紹
為快速搭建硬件平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試，本方案使用現(xiàn)有的電路板：KEIL MCB1700評(píng)估板和ZLG的UDA1380音訊板。圖1展示本方案系統(tǒng)模塊圖。圖2展示系統(tǒng)實(shí)體照片。
MP3檔儲(chǔ)存于SD/MMC卡和USB快閃存儲(chǔ)器中。SD/MMC卡插于MCB1700評(píng)估板上的Micro SD卡插槽，該插槽連接至LPC1700的SPI/SSP接口。USB快閃存儲(chǔ)器如USB優(yōu)盤，插于MCB1700板子上的USB主機(jī)埠。
解碼后的框架信息透過I2S接口導(dǎo)入U(xiǎn)DA1380，將音箱或耳機(jī)音源線插于音訊子板的對(duì)應(yīng)座上即可聽音樂。
透過2種方法可調(diào)節(jié)音量：調(diào)節(jié)音箱與耳機(jī)音量，或調(diào)節(jié)MCB1700電路板上的電位計(jì)。全套系統(tǒng)由單一USB電纜供電（+5V）。
2.特性
本系統(tǒng)具備以下特性：
●支持MPEG1/2/2.5 Layer 3 MP3.●支持固定位元率、變化位元率以及自由位元率模式。
●支持播放SDC/SDHC/MMC卡中的MP3并支持FAT12/16/32與長(zhǎng)檔名。
●支持播放USB快閃存儲(chǔ)器中的MP3并支持FAT16.●全套方案使用40k位元ROM，50k位元RAM（其中40k位元用于MP3解碼）。
三 硬件設(shè)計(jì)
1.概述
MCB1700評(píng)估板和UDA1380音訊板之間的線路連接如圖3所示。
2.關(guān)于MCB1700評(píng)估板
KEIL公司的MCB1700評(píng)估板主要用于評(píng)估恩智浦LPC1700系列芯片。圖4展示該電路板及電路板上的模塊。
提醒：
1.跳線D+和D-必須置于「HOST」。
2.跳線AD0.2必須置于「ON」。
更多關(guān)于MCB1700評(píng)估板的詳細(xì)信息請(qǐng)參閱：http://www.keil.com/mcb1700/評(píng)估板原理圖請(qǐng)參閱：http://www.keil.com/mcb1700/mcb1700-schematics.pdf
3.關(guān)于UDA1380音訊板
UDA1380音訊板為ZLG Smart Cortex-M3-1700開發(fā)套件中的子板。UDA1380芯片為立體音訊轉(zhuǎn)碼器，可廣泛應(yīng)用于MD、CD、MP3等播放器。其支持I2S資料框架格式，集成24位元ADC和DAC，ADC支持8-55kHz取樣頻率，DAC支持8-100kHz取樣頻率，支持3線（L3）以及I2C接口控制。圖5展示UDA1380音訊板原理圖。
四 軟件設(shè)計(jì)
1.軟件方塊圖
圖6為本方案軟件模塊方塊圖。
下面分別介紹此軟件模塊。
1.1主程序模塊
主程序模塊負(fù)責(zé)全套系統(tǒng)管理與調(diào)度主要負(fù)責(zé)：
●系統(tǒng)初始化。
●于SD/MMC卡和USB快閃存儲(chǔ)器中讀取MP3文件。
●調(diào)用MP3解碼庫解碼。
●播放解碼后框架數(shù)據(jù)。
●狀態(tài)顯示與信息打印。
1.2 Helix MP3解碼器
Helix MP3解碼器可解碼與MPEG兼容的MP3，并可達(dá)成浮點(diǎn)和定點(diǎn)，其中定點(diǎn)特別針對(duì)ARM處理器達(dá)成最佳化，可在任何支持長(zhǎng)乘法運(yùn)算以及長(zhǎng)乘法與加法運(yùn)算的32位元定點(diǎn)處理器上運(yùn)行。
詳細(xì)信息請(qǐng)參閱：https://datatype.helixcommunity.org/Mp3dec
1.3 USBHostLite協(xié)定堆疊
USBHostLite為簡(jiǎn)化版的USB Host協(xié)定堆疊，可用于連接USB主機(jī)埠上的USB大量?jī)?chǔ)存設(shè)備。其具備以下限制：
●僅支持控制和批量傳輸。
●僅支持大量?jī)?chǔ)存設(shè)備。
●僅支持FAT16檔案系統(tǒng)格式。
●不支持長(zhǎng)檔名。
●僅能連接位于根目錄底下的檔案。
詳細(xì)信息請(qǐng)參閱：http://ics.nxp.com/support/software/usb.host.msc/
1.4 SD/MMC卡檔案系統(tǒng)
此方案于SD/MMC卡上使用FatFs檔案系統(tǒng)。FatFs被廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)中的FAT檔案系統(tǒng)。具備支持FAT12/16/32、長(zhǎng)檔名、多項(xiàng)物理驅(qū)動(dòng)器與分區(qū)等特點(diǎn)。
詳細(xì)信息請(qǐng)參閱：http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html
提醒：FAT檔案系統(tǒng)中長(zhǎng)檔名（Long File Name；LFN）為微軟專利，用于商業(yè)用途須取得微軟授權(quán)。
1.5 UDA1380驅(qū)動(dòng)器
UDA1380驅(qū)動(dòng)器提供API函數(shù)用于配置與控制UDA1380芯片，使該芯片可接收自LPC1700發(fā)送的音訊資料流程。其中主要的2個(gè)API函數(shù)分別用于初始化及音量控制。
2.軟件的達(dá)成
圖7展示基本軟件流程圖。
主程序首先進(jìn)行初始化，包含I2S、UDA1380、UART以及USBHostLite與FatFs檔案系統(tǒng)。下一步為讀取USB快閃存儲(chǔ)器根目錄中的指定MP3檔案，并自動(dòng)查找SD/MMC卡中根目錄下的MP3檔，最后按順序依序播放。
提醒：本方案采用的USBHostLite僅提供基本檔案讀寫功能，并不支持查找功能，因此將已給予特定名稱的MP3（如usb_01.mp3）放于USB快閃存儲(chǔ)器根目錄之下，播放時(shí)可跳過查找直接播放此類MP3.
2.1音訊緩沖區(qū)（Audio Buffer）
音訊緩沖區(qū)為一長(zhǎng)度4608位元的陣列，可存放1個(gè)完整解碼后的輸出框架。解碼時(shí)，1個(gè)音訊緩沖區(qū)可放置1個(gè)輸出框架。播放時(shí)，DMA控制I2S將此音訊緩沖區(qū)的資料發(fā)送至UDA1380.
2.2解碼流程
圖8為解碼流程圖。
MP3檔首先被加載至讀取緩沖區(qū)（Read Buffer）中，后續(xù)解碼即是針對(duì)此讀取緩沖區(qū)資料進(jìn)行解碼。一般而言，可將其設(shè)置稍大，以減少檔案讀取次數(shù)。但讀取大容量檔案內(nèi)容需較長(zhǎng)時(shí)間，可能因此導(dǎo)致無法連續(xù)播放。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)檔案讀取速度、解碼速度、播放速度和可用RAM空間選擇合適的讀取緩沖區(qū)尺寸。
2.3播放流程
圖9為播放流程圖。
主程序啟動(dòng)DMA傳送第1個(gè)框架資料后，傳送過程即開始，傳送完成后即中斷DMA.于DMA中斷服務(wù)程序時(shí)，繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)音訊緩沖區(qū)資料。此流程以下列假設(shè)為基礎(chǔ)：在音訊緩沖區(qū)資料完成發(fā)送前，另一新框架已解碼并放置于下一個(gè)音訊緩沖區(qū)中。
2.4設(shè)計(jì)考量
本系統(tǒng)具備2項(xiàng)重要設(shè)計(jì)考量：
●如何使解碼與播放流程保持同步？
●如何確保播放流暢？
針對(duì)第一個(gè)問題，我們導(dǎo)入全域變量：音訊緩沖區(qū)陣列（包含2到3個(gè)音訊緩沖區(qū)）。其中一個(gè)音訊緩沖區(qū)用于播放，另外一個(gè)或兩個(gè)用于解碼。若所有音訊緩沖區(qū)狀態(tài)皆標(biāo)志為「滿」，解碼器則不會(huì)被啟動(dòng)。等到其中一個(gè)音訊緩沖區(qū)資料被播放其狀態(tài)標(biāo)志位元為「空」，主程序即啟動(dòng)解碼器并將解碼后框架放置于「空」的音訊緩沖區(qū)里，并將標(biāo)志位元設(shè)為「滿」。
針對(duì)第二個(gè)問題，其設(shè)計(jì)考量多個(gè)因素：檔案讀取速度、解碼速度與播放速度等。
MP3播放一個(gè)框架的固定時(shí)間為26ms.本方案MCU在100MHz時(shí)脈速度下運(yùn)行，使用Helix MP3解碼器的速度約為每框架10ms，此即表示僅有16ms時(shí)間供CPU處理所有其它任務(wù)。在剩余任務(wù)里，讀取MP3檔案內(nèi)容并填充讀取緩沖區(qū)將占用較多時(shí)間，因此選擇合適的讀取緩沖區(qū)顯得更加重要。
本方案從USB快閃存儲(chǔ)器讀取4k位元檔案資料耗時(shí)約8ms.從SD/MMC卡里讀取8k位元耗時(shí)約2ms.因此從USB快閃存儲(chǔ)器讀取檔案時(shí)，我們將讀取緩沖區(qū)長(zhǎng)度設(shè)為4k位元，雖然讀取SD/MMC卡可相當(dāng)快速，但受限于可使用的RAM空間，我們將讀取緩沖區(qū)長(zhǎng)度設(shè)為8k位元，以確保播放流暢性。
五 測(cè)試結(jié)果
本方案分別采用2G/4G/8G Micro SD/SDHC卡與2G USB快閃存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)試并取得良好播放效果。
此方案可播放大部分MP3檔案，但受限于解碼速度，播放320kbps的MP3會(huì)造成部分問題。由于USBHostLite僅支持FAT16檔案系統(tǒng)，因此最高僅支持2G USB快閃存儲(chǔ)器。且USBHostLite不支持長(zhǎng)檔名，因此USB快閃存儲(chǔ)器中MP3名稱只能為8.3格式。
圖10與圖11分別顯示播放過程中序列埠輸出信息。
六 結(jié)論
本文介紹以恩智浦LPC1700和Helix MP3軟件解碼庫為基礎(chǔ)的MP3播放器解決方案。此方案充分發(fā)揮LPC1700芯片的高性能與豐富外圍設(shè)備。
隨著更多新產(chǎn)品發(fā)布，如具備外部存儲(chǔ)器匯流排的Cortex-M3 LPC1800系列，以及具備DSP功能的Cortex-M4 LPC4300系列，恩智浦半導(dǎo)體MCU將大幅擴(kuò)展其在音訊處理應(yīng)用上的領(lǐng)域。
