ARM Cortex－M3的嵌入式网络播放系统设计应用
arm cortex－m3的嵌入式网络播放系统设计应用
随着网络应用的普及，为普通嵌入式系统增加网络功能，能更好满足消费者对网络资源的需求。这里采用基于arm cortex-m3的微控制器lm3s1138实现一种具备网络功能的播放终端系统，该系统不仅具有良好的播放效果，还可从网络音乐服务器上点播音乐并实时播放。
1 网络播放系统的设计方案
该网络播放系统由服务器、用户终端和音响设备组成。其中，服务器通过以太网提供音乐资源，用户终端通过网络下载音频数据再实现音频解码，音响设备实现音乐播放。图1给出该系统设计框图。
该系统设计采用基于arm cortex-m3的控制器lm3sll38作为主控制器。该控制器改进了代码密度，减少中断延时，实现thumb-2指令集，并具有更低功耗，适用于嵌入式微处理器；网络模块采用以太网控制器enc602j28；音频编解码器采用vsl003，该器件拥有自主产权的dsp处理器核，具有高性能、低功耗等特性；并采用usb总线接口器件ch375扩展存储模块。支持海量存储。
将嵌入式实时操作系统μc／os-ii移植到主处理器上，实现多任务的调度管理。系统工作时，通过操作播放器上的配置按钮，设置服务器和用户终端的相关网络配置，点击播放器中的连接按钮，发送连接服务器请求，服务器收到用户终端的连接请求，验证终端帐号正确后开始网络连接，向用户传送点播的资源列表，用户终端在播放器界面显示列表，此时，用户可以选择点播的歌曲，然后将音乐文件下载到存储设备中，下载完毕后，服务器关闭网络连接，播放器就可播放已下载歌曲。
2 系统硬件模块设计
2．1 以太网接口
enc28j60是独立的以太网控制器，采用业界标准的spi串行接口，具有10 mb／s spi接口，符合ieee802．3协议，内置10 mb／s以太网物理层器件(phy)及介质访问控制器(mac)。另外，它还具有可编程8 kb双端口sram缓冲器，此缓冲存储器具有灵活可靠的数据管理机制，以高效方式进行信息包的存储、检索和修改，以减轻主控器件的内存负荷。
图2为网络接口硬件连接示意图。enc28j60通过spi总线实现与lm3sll38的数据传输，cs为片选信号，sclk为时钟信号，mosi／miso为数据传输串口。此外，enc28j60还与网络变压器hr901l70a相连，引出刚45接口。
2．2音频接口
vsl003音频编解码器为vsl0xx系列第3代产品，包括mp3／wma／midi解码和adpcm编码2个单器件。其内置有高性能、低功耗的dsp处理核(vsdsp)，工作内存，可供用户程序使用的5．5 kb ram，串行spi总线接口，高质量的采样频率可调的过采样d／a转换器以及16位的过采样a／d转换器。图3为音频编解码器模块硬件连接示意图，vsl003采用spi总线与lm3sll38实现通信。其中，sclk为输入时钟，cs为片选信号，mosi／miso为数据串口，demand为命令有效信号，vsl003外接音频输出设备。
2．3 usb控制接口
ch375是一款支持usb-host主机方式和usb-de-vice／slave从设备方式的器件，主机端点输入和输出缓冲区各64字节，支持常用的12 mb／s全速usb设备，支持usb设备的控制传输、批量传输、中断传输。内置固件处理海量存储设备的专用通讯协议，支持bulk-only传输协议和scsi，ufi，rbc或等效命令集的usb存储设备。
图4为usb控制接口模块硬件连接示意图，ch375通过uart串口与lm3s1138传输数据，*****为中断信号，txd／rxd为数据传输串口，ch375连接usb存储设备。
3 系统软件设计
μc／os-ii是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统内核，其具有以下优点：源代码公开，代码结构清晰，注释详尽，组织有条理，具有良好的可扩展性和可移植性，最多可以管理60个任务。该系统移植的μc／os-ii由用户层、中间件层、μc／os-ii源码层、μc／os-ii移植层和驱动库组成。用户层存放用户代码及设置，其中main．c是用户编写任务处，main．h定义堆栈大小及优先级；中间件层middleware存放uart、spi等串口通信中间件和tcp／ip协议栈lwip；μc／os-ii源码层source存放μc／os-ii的源代码；μc／os-ii移植层port存放μc／os-ⅱ基于lm3s的移植代码，包括os_cpu_c．c，os_cpu_a．a，os_cpu．c等3个必要文件；驱动库层是直接面向硬件设备层，它是硬件设备和应用程序之间的枢纽，直接与系统底层的硬件设备打交道，按照硬件设备的具体工作方式读写设备寄存器。将寄存器的数据与应用软件交互，enc28j60、vsl003和ch375的驱动函数都在该层。
3．1网络驱动程序
本系统采用enc28j60以太网控制器，需编写网络设备驱动程序，实现低层网络接口及硬件函数驱动。该驱动程序设计主要包含网卡的初始化和数据的发送接收。
网卡初始化的驱动程序包括定义发送缓冲区大小、发送缓冲区数、enc28j60的片选信号、enc28j60的复位引脚以及网卡自检。具体程序代码如下：
网卡数据传输的驱动程序包括申请ip地址，建立与服务器的连接，以及数据的接收和发送等，图5为其程序流程。
3．2文件系统
文件系统是一种以结构化格式存储和信息检索的实现方法，可使用户方便快捷的管理存储数据。文件系统一般包括fat32／16，ntfs，ext2／3，nfs等，本设计采用fatl6，可支持2 gb的最大分区，用于管理u盘中的音频文件，该文件系统的实现主要针对usb接口器件ch375进行驱动开发。
在ch375驱动设计中，先实现fat32／16文件系统层，再实现文件级api应用层。文件系统层采用ch375开发商提供的u盘文件级子程序库来实现，ch375的u盘文件级子程序库具有以下特性；支持常用的fat16和fat32文件系统，磁盘容量可达100 gb以上，支持多级子目录。支持8．3格式的大写字母和中文文件名，支持小写字母或长文件名，支持文件打开、删除、读写以及搜索等。文件系统移植好后，再进行api应用层驱动设计。应用层驱动包括ch375引脚配置、文件读写缓冲区配置、ch375读写程序的设计。在读写程序的设计中，要注意对ch375的延时操作，满足ch375的时序要求。
3．3音频驱动程序
音频驱动的设计主要是针对vsl003的初始化设置和实现音频数据流的传输，并对应用层提供api接口，这里完成了音频播放功能程序的设计。
在该程序设计中，首先对lmll38和vsl003控制接口的(miso、mosi、sck、cs、demand)引脚进行相应配置，vsl003初始化配置完成后，开始等待系统的播放标志置位，播放标志为“0”时，重新初始化vsl003，播放标志为“l”时，接收到系统的播放消息，使能spi接口，选择将要播放的数据包，把音频数据写入spi的缓冲存储区，然后再发送给vsl003的数据寄存器，当音频数据发送完成后，开始由vsl003处理这些音频数据，实现模拟音频数据的输出。该函数能够流畅地完成音频播放功能。
3．4用户应用程序
系统的应用程序主流程如图6所示。
系统主任务启动后，先初始化人机界面库函数，它提供了操作界面的按键中断处理函数以及lcd的显示函数；再读取初始系统配置数据，如本地ip、服务器ip、用户账号、密码等，完成网络、音频编解码以及存储等模块的初始化；然后，主任务再创建多个子任务，包括enc28-j60task，ch375task，vsl003task，humaninterfacetask，接着进入消息循环，消息循环是整个应用程序的核心部分，通过消息循环，系统不断获取用户操作消息，并做出相应处理，实现系统功能；当收到一个退出消息时，系统强制主任务跳出消息循环，关闭播放器操作界面，系统退出应用程序。
4 系统测试及分析
系统调试成功后，可流畅地从服务器中下载音频数据，保存到外接usb设备中，然后再通过音频解码从音响播放出来。图7为该系统主界面，系统音质良好，达到设计要求。
5 结束语
本系统设计采用基于arm cortex-m3的嵌入式器件lm3s1138作为主控制器件，采用enc28j60作为网络接口器件，在μc／os-ii平台上构建一个实时的网络播放系统。该系统能够实现网络点播功能。如将enc28j60更成为具有usb接口的无线网卡，则该系统还具有无线网络功能。而随着以太网技术的深入发展，将嵌入式系统与网络结合，在嵌入式实时操作系统中引入tcp／ip协议栈，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向，且对于一些基于网络接口的嵌入式系统都将具有广泛的应用前景。
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