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摘要：介绍了CIRRUS LOGIC公司生产的音频解码芯片CS43L42与嵌入式处理器EP7212的接口实现方法,分析了基于嵌入式处理器EP7212/7312和CS43L42芯片的MP3文件播放系统,给出了由其组成的完整硬件连接图和有效的软件实现方法。
关键词：嵌入式处理器;数字音频接口DAI;CS43L42;MP3;EP7212
１ 引言
目前存储声音信息的音频数据格式主要有ＰＣＭ文件、ＶＯＣ文件、ＭＩＤＩ文件、ＭＰ３文件等。对导航系统来说,要实现音频文件的播放,存储器容量是一个需要考虑的问题。由于导航系统的存储空间有限,所以要求存储的文件压缩率高。与其它文件格式相比,ＭＰ３音频文件具有较高的压缩率和不逊色于ＣＤ的音质,所以在导航系统中音频文件的存储选用ＭＰ３格式。
ＭＰ３的全称为ＭＰＥＧ１ Ｌａｙｅｒ－３音频文件,ＭＰＥＧＭｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ在汉语中译为活动图像专家组,特指活动影音压缩标准。ＭＰＥＧ音频文件是ＭＰＥＧ１标准中的声音部分,也叫ＭＰＥＧ音频层,它根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层,即Ｌａｙｅｒ１、Ｌａｙｅｒ２、Ｌａｙｅｒ３,分别对应ＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３这三种声音文件,并根据不同的用途,使用不同层次的编码。ＭＰＥＧ音频编码的层次越高,编码器越复杂,压缩率也越高,ＭＰ１和ＭＰ２的压缩率分别为４：１和６：１～８：１,而ＭＰ３的压缩率则高达１０：１～１２：１,也就是说,一分钟ＣＤ音质的音乐,未经压缩需要１０ＭＢ的存储空间,而经过ＭＰ３压缩编码后只有１ＭＢ左右。不过ＭＰ３对音频信号采用的是有损压缩方式,为了降低声音失真度,ＭＰ３采取了“感官编码技术”,即编码时先对音频文件进行频谱分析,然后再用过滤器滤掉噪音电平,接着通过量化的方式将剩下的每一位重新排列,最后形成具有较高压缩率的ＭＰ３文件,从而使压缩后的文件在回放时能够达到比较接近原音源的声音效果。
虽然ＭＰ３是一种有损压缩方式,但它以极小的声音失真换来较高的压缩比,因此在较多的场合得以应用。尤其是随着数字技术的发展,ＭＰ３压缩方式在便携式电子产品中得到了越来越广泛的应用,深受追求时尚、新潮的青年朋友的喜爱。
２ ＣＳ４３Ｌ４２播放芯片
ＣＳ４３Ｌ４２是ＣＩＲＲＵＳ ＬＯＧＩＣ公司生产的音频解码芯片, 它可工作在１．８～３．３Ｖ,关掉线性放大器时功耗仅１６ｍＷ非常适合于ＭＰ３、ＭＤ播放器等低功耗场合的应用。该芯片是一款完全意义上的数模转换器,它包括１ｂｉｔ Ｄ／Ａ转换、模拟滤波、音量控制、线性电压输出以及耳机放大器。通过改变主频率,其允许的输入采样频率可从２ｋ～１００ｋＨｚ变化。该器件具有数字重音、峰值限制和去加重等特性。此外,由于采用了ＰＯＰＧＵＡＲＤ技术,ＣＳ４３Ｌ４２还可有效防止加电、断电时产生的瞬间冲击。
ＣＳ４３Ｌ４２具有ＤＡＩ接口,能够与嵌入式处理器ＥＰ７２１２／７３１２较好的配合。它具有三种模式：双线模式、ＳＰＩ模式、ＳＴＡＮＤ ＡＬＯＮＥ模式。通过引脚ＣＰ／ＳＡ和ＡＤ０／ＣＳ／ＤＥＭ０置相应状态可以设置这三种模式。当ＣＰ／ＳＡ引脚为低电平时,芯片为ＳＴＡＮＤ ＡＬＯＮＥ模式,当ＣＰ／ＳＡ为高电平时,只要检测到引脚ＡＤ０／ＣＳ／ＤＥＭ０电平从低到高变化,则进入ＳＰＩ模式,否则为双线模式。在ＳＴＡＮＤ ＡＬＯＮＥ模式下,可用ＳＣＬ／ＣＣＬＫ／ＤＩＦ１和ＳＤＡ／ＣＤＩＮ／ＤＩＦ０引脚来设置数据、左／右时钟以及主时钟之间的关系。在双线模式和ＳＰＩ模式下,则可以通过对寄存器进行操作来实现静音、声道衰减和音量控制等功能。图１是ＣＳ４３Ｌ４２的内部原理图,图２是该芯片的引脚排列示意图,各引脚的功能如下：
１脚（ＲＳＴ）：复位信号,低有效。
２脚（ＬＲＣＫ）：左／右帧同步。
３脚（ＳＤＡＴＡ）：串行音频数据,数据随串行时钟引入。
４脚（ＡＤ０／ＣＳ／ＤＥＭ０）：在ＳＰＩ模式下,用于使能控制端口。
５脚（ＳＣＬＫ／ＤＥＭ１）：位时钟,等于ＭＣＬＫ的１／２,每帧有１２８位。
６脚（ＶＬ）：数字电源电压,典型值为１．８Ｖ～３．３Ｖ。
７脚（ＭＣＬＫ）：２ｘ过采样时钟,仅在从模式下输入。
图3
８脚（ＳＣＬ／ＣＣＬＫ／ＤＩＦ１）：串行控制接口时钟。
９脚（ＳＤＡ／ＣＤＩＮ／ＤＩＦ０）：串行控制数据输入输出。
１０脚（Ｎ．Ｃ．）：无连接,悬空。
１１脚（ＣＰ／ＳＡ）：控制模式和等待模式控制。
１２脚（ＶＱ＿ＨＰ）：耳机静态电压接口。
１３脚（ＲＥＦ＿ＧＮＤ）：连接到模拟地。
１４脚（ＦＩＬＴ＋）：正向基准电压,用于内部采样电路。
１５脚（ＶＱ＿ＬＩＮＥ）：线输出静态电压接口。
１６２１脚（ＨＰ＿Ａ,ＨＰ＿Ｂ）：耳机输出。
１７脚（ＧＮＤ）：连接到模拟地。
１８脚（ＶＡ）：模拟电源电压,典型值为１．８Ｖ～３．３Ｖ。
１９脚（ＶＡ＿ＬＩＮＥ）：线性扩音器电源端,典型值在１．８Ｖ～３．３Ｖ。
２０脚（ＶＡ＿ＨＰ）：耳机放大电源端,典型值为０．９Ｖ～３．３Ｖ。
２２,２３脚（ＡＯＵＴＢ ＡＯＵＴＡ）：模拟输出端。
２４脚（ＭＵＴＥＣ）：静音控制。
３ ＣＳ４３Ｌ４２的硬件连接电路
如系统中芯片工作在ＳＴＡＮＤ＿ＡＬＯＮＥ模式,则将ＤＩＦ１、ＤＩＦ０分别设置为低、高电平表示接收左起有效的２４位数据。图３是ＣＳ４３Ｌ４２的典型外围连接电路。图中的电容Ｃ由下式给出：
Ｃ＝(ＲＬ＋５６０)/[４π Ｆｓ(ＲＬ·５６０)]
４ ＭＰ３播放软件设计
ＭＰ３文件播放的软件设计任务如下：
（１）初始化ＥＰ７２１２ 的ＤＡＩ接口。
（２）将ＭＰ３文件解码成ＰＣＭ文件并存放于开辟的两个缓冲区（左、右两个声道）。
（３）在ＦＩＱ（快速中断请求）中将ＰＣＭ格式的数据写到ＤＡＩ接口,同时播放声音（未有数据时播放静音）。
４．１ ＥＰ７２１２的ＤＡＩ接口介绍和初始化
ａ． ＤＡＩ接口
ＥＰ７２１２／７３１２的数字音频接口（ＤＡＩ）主要用于支持高质量立体声的音频处理。图４是ＣＳ４３Ｌ４２与嵌入式微处理器ＥＰ７２１２的ＤＡＩ接口电路。该接口主要由以下五个信号组成：
（１）ＬＲＣＫ,左／右帧同步。
（２）ＳＣＬＫ,位时钟,等于ＭＣＬＫ的１／２,每帧有１２８位。
（３）ＭＣＬＫ,２ｘ过采样时钟,仅在从模式下输入。
（４）ＳＤＯＵＴ,数字音频数据输出。
（５）ＳＤＩＮ,数字音频数据输入。
用ＭＳＢ／Ｌｅｆｔ数据调整格式意味着数据在帧同步信号（ＬＲＣＫ）电位改变后立即被计时。ＭＳＢ在第一位时是左调整,这与Ｉ２Ｓ格式相比有些不同,Ｉ２Ｓ格式的数据在改变电位后要延迟一个时钟。数据帧每帧是１２８位长,这样每个声道６４位长。帧的大小和ＬＲＣＫ的运行周期在ＥＰ７２１２／７３１２中不能被设置。ＳＣＬＫ可从ＭＣＬＫ中得到,频率等于１／２ ＭＣＬＫ。缺省模式中,ＤＡＩ处于主模式。该模式下自己产生的ＭＣＬＫ时钟等于９．２１６ＭＨｚ。这样,ＳＣＬＫ等于４．６０８ＭＨｚ。对于需要ＳＣＬＫ有不同速率的应用,ＤＡＩ可以被设置成从模式。在从模式下,外部源通过ＭＣＬＫ引脚给ＭＣＬＫ提供主时钟,然后分成两半生成ＳＣＬＫ。不管ＤＡＩ模式如何设置,ＳＣＬＫ和ＬＲＣＫ通常都设置成输出。数据一般在ＳＣＬＫ的上升沿锁入,在下降沿释放。
ＤＡＩ接口是一种高质量的数字音频接口,可以连接与ＤＡＩ接口兼容的音频设备。ＥＰ７２１２ 的ＤＡＩ接口通过位时钟和帧同步时钟产生１２８ｂｉｔ帧数据。数字音频数据的接收和发送均采用全双工方式,对应于１２采样深度的接收ＦＩＦＯ和８采样深度的发送ＦＩＦＯ。在ＤＡＩ 接口信号中,ＭＣＬＫ是主时钟,它是音频采样频率的２５６倍,ＳＣＬＫ为音频采样频率的１２８倍,ＬＲＣＫ固定为采样频率。由于本系统中的ＭＣＬＫ连接外部时钟发生器,频率为１１．２８９６ＭＨｚ所以采样频率为４４．１ＫＨｚ。其ＤＡＩ接口时序图如图５所示。
图5
ＤＡＩ的帧长１２８ｂｉｔ其中包括一个音频采样数据,在这１２８ｂｉｔ中,仅有３２ｂｉｔ为实际的音频数据,其余输出均为零。左／右时钟作为帧同步信号,左／右时钟从高到低表示右声道的１６ｂｉｔ数据,从低到高表示左声道的１６ｂｉｔ数据。
ｂ． ＤＡＩ接口初始化
ＤＡＩ初始化程序中首先应设置控制寄存器, 接着选择外部时钟有效以及在左发送ＦＩＦＯ数据少于一半时产生中断。然后清除状态寄存器上溢、下溢位,之后使ＤＡＩ接口、发送ＦＩＦＯ和接收ＦＩＦＯ有效。最后打开ＤＡＩ中断。
４．２ ＭＰ３文件的解码
ＡＲＭ公司提供有基于ＡＲＭ处理器音频文件解码库,它能够有效地解码ＭＰ３格式的歌曲,而输出１６ｂｉｔ立体声ＰＣＭ数据。
ａ． 解码库所定义的结构
·ｔＳａｍｐｌｅＲａｔｅ定义了解码数据ＰＣＭ的采样率
ｔｙｐｅｄｅｆ ｅｎｕｍ ｔａｇＳａｍｐｌｅＲａｔｅ
{
ＳＲ １１ ０２５ｋＨｚ
ＳＲ １２ｋＨｚ
ＳＲ ４４ １ｋＨｚ
ＳＲ ４８ｋＨｚ
ＳＲ ３２ｋＨｚ
ＳＲ Ｒｅｓｅｒｖｅｄ
} ｔＳａｍｐｌｅＲａｔｅ
·ｔＭＰＥＧＳｔａｔｕｓ 给出了ＭＰ３函数返回状态值。
ｔｙｐｅｄｅｆ ｅｎｕｍ ｔａｇＭＰＥＧＳｔａｔｕｓ
{
ｅＮｏＥｒｒ
ｅＮｏＳｙｎｃｗｏｒｄ
ｅＣＲＣＥｒｒｏｒ
ｅＢｒｏｋｅｎＦｒａｍｅ
ｅＥｎｄＯｆＢｉｔｓｔｒｅａｍ
ｅＤａｔａＯｖｅｒｆｌｏｗ
} ｔＭＰＥＧＳｔａｔｕｓ
·ｔＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ给出ＭＰＥＧ比特流的指针,ｂｕｆｐｔｒ定义为比特流的字指针,ｂｉｔｉｄｘ定义为字中的索引（０－３１）。
ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ ｔａｇＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ
{
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＊ ｂｕｆｐｔｒ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｂｉｔｉｄｘ
} ｔＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ
·ｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ包括ＭＰＥＧ音频报头信息,ｓａｍ-ｐｌｅ＿ｒａｔｅ为ＰＣＭ采样频率,ｓａｍｐｌｅｓｐｅｒｃｈａｎｎｅｌ为每个声道的采样数,ｎｕｍｃｈａｎｓ为声道数,ｐａｃｋｅｄ ｉｎｆｏ为报头信息,ｂｉｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ为下一次调用函数需要ｂｉｔ数,ｆｒｅｅ ｆｏｒｍａｔ是指比特流的格式。
ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ ｔａｇＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ
{
ｔＳａｍｐｌｅＲａｔｅ ｓａｍｐｌｅ ｒａｔｅ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｓａｍｐｌｅｓｐｅｒｃｈａｎｎｅｌ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｎｕｍｃｈａｎｓ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｐａｃｋｅｄ ｉｎｆｏ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｂｉｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｆｒｅｅ ｆｏｒｍａｔ
} ｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ
ｂ． ＭＰ３解码库所提供的函数
·ＩｎｉｔＭＰ３ＡｕｄｉｏｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ
功能：初始化解码器解码指针。
·ＭＰ３ＳｅａｒｃｈＦｏｒＳｙｎｃｗｏｒｄｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔｔＭ-ＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ ＊ｂｓｌｅｎｇｔｈ
功能：查找ＭＰＥＧ数据中的同步字。
·ＭＰ３ＤｅｃｏｄｅＩｎｆｏｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ ｉｎｓｔｔＭＰＥＧＢｉｔ-ｓｔｒｅａｍ ＊ ｂｓｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ ＊ ｐｍｐｅｇ ｈｄｒ
功能：从ＭＰＥＧ帧中获得报头的信息。
·ＭＰ３ＤｅｃｏｄｅＤａｔａｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ ｓｈｏｒｔ ＊ｌｅｆｔｓｈｏｒｔ ＊ ｒｉｇｈｔ ｔＭＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ ＊ ｂｓ
功能：从ＭＰ３数据解码成ＰＣＭ数据,并将其存到ｌｅｆｔ、ｒｉｇｈｔ指向的缓冲区中。
ｃ． ＭＰ３程序解码流程及在ＦＩＱ中断中的实现
图６所示是该系统中ＭＰ３文件的解码流程。该文件可在ＦＩＱ中断中实现播放。由于ＤＡＩ ＦＩＦＯ对应于ＦＩＱ中断,因此,它可以通过控制寄存器来设置ＦＩＦＯ的中断方式,并可在程序中将产生中断的位置设置在左发送ＦＩＦＯ中少于四个采样数据时。由于在ＦＩＱ中断中保存有ＭＰ３解码缓冲区的地址,因此,若在进入ＦＩＱ后各写四个采样数据到左右ＦＩＦＯ中,那么,对于４４．１ｋＨｚ文件来说,ＦＩＱ发生的速率将为１１ｋＨｚ。为了保证左右ＦＩＦＯ的正确填充,一般需要交替写两个ＦＩＦＯ。此时如果ＭＰ３缓冲区无数据,则可写０（静音）到两个ＦＩＦＯ中,这样,程序就可以跳出ＦＩＦＯ中断接着处理数据。需要说明的是：无论程序是否需要录音,都要从接收缓冲区读四个数据,这样可确保ＤＡＩ ＦＩＦＯ处于同步状态而不会产生失真。另外,在ＦＩＱ处理程序的最后,还要清除溢出状态位,这样可以防止ＦＩＱ始终中断。
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