《嵌入式系统设计

目录1概述...........................................................................................................................................12系统原理...................................................................................................................................22.1原理简述.......................................................................................................................22.2采样原理.......................................................................................................................32.3数模/模数转换.............................................................................................................32.4音频编码.......................................................................................................................32.5DMA技术.....................................................................................................................42.6文件系统.......................................................................................................................43硬件系统设计...........................................................................................................................43.1芯片选型设计...............................................................................................................43.2电路设计.......................................................................................................................54原理图与PCB版图..................................................................................................................75软件系统设计...........................................................................................................................85.1系统工作标志与LED状态...........................................................................................85.2主要数据结构...............................................................................................................85.3软件流程及管件代码...................................................................................................96总结与感谢.............................................................................................................................106.1取得的成果.................................................................................................................106.2改进方面.....................................................................................................................106.3感谢.............................................................................................................................111概述音频采集、存储和回放系统经历了多个发展时期，比较具有代表性的是留音机、磁带卡座以及如今的各种数字化音频设备。留音机的存储介质是黑胶唱片，其上的振动条纹记录了音频信息。从本质上说是一种机械性的记录方式，设备实现简单，但音质差、记录密度小。磁带机引入了电路，通过电子线路以及机械传动完成音频信号、电信号和磁信号的相互转化。较之磁带机，音质和记录密度大幅提高。随着处理器性能的提高和成本的降低，传统模拟系统的数字化趋势越来越明显，各种数码产品开始风靡，代表产品便是MP3播放器。数字音频设备完全摒弃了机械传动装置，在体积减小的同时，音质、存储密度、抗干扰、功耗等指标均显著提升。本文所设计并实现的音频采集、存储和回放系统，基于TI公司最新的Cortex-M4处理器LM4F120H5RQ，外围有模拟放大器、数模转化器、滤波电路以及SD卡等。该音频系统旨在结合课程内容了解ARM嵌入式系统设计；主要完成工作包括方案论证、电路设计、PCB制作以及软件设计，实现了音频的数字采集、存储和播放的基本功能。系统主要指标和特征：输入信号最大电压：3Vp-p；输入阻抗：100KΩ；最大输出电压：3Vp-p；采样率：44.1KHz；存储和播放格式：WAV；人机交互方式：按键控制；LED状态显示和菜单串口打印输出。2系统原理2.1原理简述采样和存储流程：ADEncodingSDCardDigitWavSignalconditioningAudio回放流程：LPF&AmplifierDADecodingSDCardDigitWavAudio系统数据流向和工作流程如上图。输入的交流音频信号经过加法器，双声道信号合成一路并叠加直流电平；经过处理的信号通过LM4F120H5RQ片上AD采样，得到的数据编码成WAV音频格式使用文件系统Fatfs保存在SD中；至此完成音频信号的采集和存储。回放时，WAV文件被读出解码成数据，通过DA还原成音频，为实现好的输出效果，信号经过低通滤波器并被放大后输出。数据的传输采用了DMA技术，使用乒乓缓冲，保证了数据流的持续性，使得数据采集和语音播放流畅稳定。2.2采样原理根据奈奎斯特定理，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。即采样频率大于两倍信号带宽时，可以完全还原信号。在音频处理中，为了提高回放音质，通常设置较高的采样频率。语音带宽为4.1K，通常采样率为8K；音频采样率有11.025K、22.05K、44.1K等多种。采样率越高，信号还原越容易，经低通滤波后输出信号越接近采样信号。系统中使用定时器提供采样率节拍，设定为44.1K。2.3数模/模数转换LM4F120H5RQ片上集成了两个12位ADC模块，最高采样率达1M/s，完全满足系统需求。使用片上AD，既能充分利用硬件资源，也能降低系统功耗，减小信号干扰。LM4F120H5RQ片上不具备DAC，同时也没有专用音频接口I2S，因此使用外围DAC电路。DAC121S101Q是TI公司出品的一款12位微功耗、轨到轨数模转换器，使用TSOP6超小封装，SPI接口便于与主控通信。时钟频率最大30M，输出建立时间10us(即100K)，因此按照12位数据单声道可以最大实现100K的采样率，完全满足需求。2.4音频编码音频编码格式多种多样，比较常用的包括MP3、WAV、WMA、APE等等。WMA格式不进行数据压缩，对处理器处理能力要求较低，文件格式简单容易实现，因此本系统采用了WAV格式编码。采集的音频信号被编码成WAV保存，同时可以用于回放；同样，符合WAV规范的音频格式也可以被用于系统播放，系统根据WAV文件头信息调整播放码率。WAV文件头记录了文件的各项信息，编码过程就是编写文件头的过程。文件头信息如下：偏移地址字节数类型内容00H~03H4字符资源交换文件标志（RIFF）04H~07H4长整数从下个地址开始到文件尾的总字节数08H~0BH4字符WAV文件标志（WAVE）0CH~0FH4字符波形格式标志（fmt）10H~13H4整数过滤字节（一般为00000010H）14H~15H2整数格式种类（值为1时，表示数据为线性PCM编码）16H~17H2整数通道数，单声道为1，双声道为218H~1BH4长整数采样频率1CH~1FH4长整数波形数据传输速率（每秒平均字节数）20H~21H2整数数据的调整数（按字节计算）22H~23H2整数样本数据位数2.5DMA技术DMA(直接存储器访问)技术是利用有别于处理器数据总线的管道完成内存、外设间数据交换的技术。因为不占用处理器的数据总线，DMA可以高效地实现数据传输，减轻处理器负担，可以理解为与处理器并行的数据传输。本系统中使用了LM4F120H5QR片内的DMA外设模块，设置其工作在ping-pong模式，十分方便地实现了数据流的持续传输，保障了存储和回放的流畅性。2.6文件系统存储器采用大容量SD卡，提供了存储的物理管理手段。逻辑管理方案采用的是文件系统。Fatfs文件系统一个通用的文件系统模块，因其较小的体积、良好的可移植性和稳定性以及开源免费特性，被广泛地应用与嵌入式系统中，为大量数据的管理提供了便利。Fatfs的实现主要体现在移植，这与SD的读写有关。LM4F120H5QR通过SPI接口与SD卡相连，SD卡工作在SPI模式；编写与LM4F120H5QR适配的SPI读写底层代码可以方便地移植Fatfs。3硬件系统设计系统硬件框图：LM4F120H5QR加法器LME49721LR中点电平3.3V5VDAC121S101滤波器LME497213.3V3.3VOutMicroSDCardKEY&LED&UART主要包括了电源部分、信号调理部分、主控电路、按键和LED以及串口等组成的HCI、存储卡部分、DA转换器以及低通滤波电路等。3.1芯片选型设计系统采用5V供电，处理器、DA等需要