用CS43L42音频解码器和EP7212嵌入式处理器设计的MP3文件播放系统

    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，ＭＰＥＧ?Ｍｏｖｉｎｇ 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。

１６?２１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

·ＩｎｉｔＭＰ３Ａｕｄｉｏ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ?

功能：初始化解码器解码指针。

·ＭＰ３ＳｅａｒｃｈＦｏｒＳｙｎｃｗｏｒｄ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ?ｔＭ-ＰＥＧＢｉｔｓｔｒｅａｍ ＊ｂｓ?ｌｅｎｇｔｈ?

功能：查找ＭＰＥＧ数据中的同步字。

·ＭＰ３ＤｅｃｏｄｅＩｎｆｏ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ ｉｎｓｔ?ｔＭＰＥＧＢｉｔ-ｓｔｒｅａｍ ＊ ｂｓ?ｔＭＰＥＧＨｅａｄｅｒ ＊ ｐｍｐｅｇ ｈｄｒ?

功能：从ＭＰＥＧ帧中获得报头的信息。

·ＭＰ３ＤｅｃｏｄｅＤａｔａ?ｔＭＰＥＧＩｎｓｔａｎｃｅ ＊ｉｎｓｔ? ｓｈｏｒｔ ＊ｌｅｆｔ?ｓｈｏｒｔ ＊ 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。