基于EVK1105和UC/OS-II操作系統(tǒng)的自主能量開發(fā)(三)

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

該系統(tǒng)為實現(xiàn)自主能量采集以及多用戶播放器的功能，以主控制芯片AT32UC3A為核心，綜合運用液晶顯示、多通道控制電路、用戶接口、內(nèi)存及外部存儲設備和電源等部分來實現(xiàn)系統(tǒng)功能?；镜南到y(tǒng)硬件結構框圖如下：

圖2 系統(tǒng)硬件結構框圖

系統(tǒng)各個部分相互協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，以下是系統(tǒng)各個組成部分的實現(xiàn)原理：

3.1.1 主控芯片功能

該系統(tǒng)的主控芯片為AT32UC3A，之所以采用該芯片作為該系統(tǒng)的主控芯片，因為該芯片有以下性能：

1、強大的音頻處理能力：AVR32微控制器的核心是AVR32 CPU內(nèi)核，其特點是提供了一系列覆蓋面較廣、往往只在高端CPU和DSP上才有的指令。因為具備這樣的高性能，所以它不再需要定制音頻解碼器硬件，它能以稍高于20MHz的運算能力解碼立體聲MP3音頻流。由于其最高速度可達72MHz，因而其CPU還留有足夠的性能裕量來處理AAC和AAC+等“負荷較重”的音頻格式。而剩余的性能裕量還可以運行操作系統(tǒng)和完成必須的文件存儲和通信功能。

2、高性能的D/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)字音頻信號在解壓之后，必須轉(zhuǎn)換為模擬音頻才能通過一組揚聲器播放出來。AVR32提供了一個Hi-Fi立體聲16位DAC用于立體聲輸出。因此，它只需要一個很小的外部功放來產(chǎn)生線路輸出、耳機輸出或外部揚聲器所需的輸出電平。

3、豐富的外部連接：雖然AVR32微控制器中的閃存和SRAM足以存儲用戶固件、解碼音頻和緩沖通信數(shù)據(jù)，但片上存儲器的大小并不足以緩沖幾秒以上的音頻內(nèi)容。不過AVR32的可選存儲器范圍很寬，其中三種最受歡迎的就是SD/MMC卡、USB大容量存儲器和NAND閃存。AVR32可以任意組合這幾種存儲器用于存儲音頻內(nèi)容。其中，SD卡接口支持高達2GB的高速大容量SD卡;USB主機接口能連接常規(guī)USB記憶棒，也可用于接入一個帶USB插頭的媒體播放器、相機或手機。

關于主控芯片及平臺的具體信息將在后文中介紹。

3.1.2 能量采集模塊

太陽能采集

目前的太陽能采集技術比較成熟，該系統(tǒng)中利用太陽能電池作為采集太陽能的裝置，并將其轉(zhuǎn)換成電能。簡要的工作原理圖如下：

圖3 太陽能采集原理圖

該部分的核心為充放電控制器，在陽光充足的情況下太陽能電池陣列吸收光能并產(chǎn)生電能，充放電控制器將該電能充入蓄電池組，同時為播放器提供必要的電能。在陽光不充足的情況下，充放電控制器則從蓄電池組提取能量供給播放器。

振動能量采集

當前振動能量采集技術有多種，該系統(tǒng)中利用最傳統(tǒng)的做法，即使用一塊懸掛的磁鐵，將線圈放置在一個變化的磁場中產(chǎn)生電磁感應，發(fā)電機則通過電磁感應來完成能量轉(zhuǎn)換。

圖4 震動能量采集原理圖

該部分核心仍為充放電控制器，振動能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換的能量通過充放電控制器存儲在蓄電池中或給播放器供電，若無振動情況下，則直接使用蓄電池給播放器供電。

3.1.3 播放器功能模塊

MP3解碼電路

音頻以數(shù)字信息的格式存儲在介質(zhì)中，因此在播放歌曲的時候要利用音頻解碼電路進行轉(zhuǎn)化，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量并輸出，因此需要MP3解碼電路以實現(xiàn)這一功能。最常見的MP3音頻解碼電路由音頻解碼器，可變采樣率ADC和立體聲DAC，耳機放大電路構成。而AT32UC3A芯片集成的強大功能可以實現(xiàn)解碼電路的大部分功能，因此，只需要再加入一個很小的功放來產(chǎn)生線路輸出、耳機輸出或揚聲器所需要的電平。

多通道控制電路

該播放器設計有面向多用戶的功能(最多4用戶)，該功能主要由多通道控制電路來實現(xiàn)。在該功能中，采用分時多緩沖技術：首先把時間分為很小的時間片段，時間段的個數(shù)等于通道個數(shù)，每個時間片段響應不同的歌曲情切，主控芯片根據(jù)請求讀取FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)，并將其按請求順序放入內(nèi)存，并送給解碼器，解碼得到的信號經(jīng)4路高速控制開關選通4個音頻輸出口。因為時間間隙很小，人耳無法分辨，所以保證了歌曲播放的完整性。其簡要原理圖如下：

圖5 多通道控制原理圖

儲存單元

該系統(tǒng)的儲存單元主要有外部存儲器接口、SRAM內(nèi)存、FLASH存儲和USB接口。

外部存儲器接口

考慮到硬件平臺內(nèi)置存儲空間較小的問題，并結合主控芯片AT32UC3A的外部接口特點，該系統(tǒng)采用外部存儲器來儲存歌曲，該存儲器可以是高速大容量的SD卡或USB記憶棒。

SRAM內(nèi)存

該部分作為系統(tǒng)的內(nèi)存，用于處理和運算，保證系統(tǒng)的正常運行。

FLASH存儲

FLASH存儲設備用于存放系統(tǒng)的控制程序。

USB通信接口

系統(tǒng)提供USB通信接口以方便系統(tǒng)與外部設備的互聯(lián)，該USB接口可以用于下載歌曲等操作。

3.1.4 電源管理

該部分主要包括四個部分：電池、充放電控制器、太陽能能量采集電路和振動能量采集電路，在充放電控制器的控制下，實現(xiàn)個部分的協(xié)調(diào)供電，同時利用AT32UC3A芯片的電源管理，使系統(tǒng)實現(xiàn)最低功耗。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

3.2.1 硬件平臺選擇

該系統(tǒng)選用EVK1105作為平臺進行相關的研發(fā)和制作工作，理由如下：

1、其主控芯片強大的音頻處理功能

EVK1105硬件平臺采用了AVR高性能32位微控制器AVR32，而AVR32微控制器的核心是AVR32 CPU內(nèi)核，其特點是提供了一系列覆蓋面較廣、往往只在高端CPU和DSP上才有的指令。因為具備這樣的高性能，所以它不再需要定制音頻解碼器硬件，它能以稍高于20MHz的運算能力解碼立體聲MP3音頻流。由于其最高速度可達72MHz，因而其CPU還留有足夠的性能裕量來處理AAC和AAC+等“負荷較重”的音頻格式，同時UC3A器件還可處理兩個音頻接口。在高質(zhì)量立體聲輸出方面，該芯片集成了一個內(nèi)置FIR和Comb濾波器的立體聲16位比特流音頻DAC;至于4聲道或全環(huán)繞聲，則可利用IIS接口來連接外部音頻編解碼器。兩個接口均由利用AVR32 外設 DMA 控制器的驅(qū)動器提供支持，能夠大幅減少 CPU 開銷。而剩余的性能裕量還可以運行操作系統(tǒng)和完成必須的文件存儲和通信功能，這大大的增強了系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。2、良好的存儲器選擇范圍

雖然AVR32微控制器中的閃存和SRAM足以存儲用戶固件、解碼音頻和緩沖通信數(shù)據(jù)，但片上存儲器的大小并不足以緩沖幾秒以上的音頻內(nèi)容。但是AVR32的可選存儲器范圍很寬，其中三種最受歡迎的就是SD/MMC卡、USB大容量存儲器和NAND閃存。AVR32可以任意組合這幾種存儲器用于存儲音頻內(nèi)容。其中，SD卡接口支持高達2GB的高速大容量SD卡;USB主機接口能連接常規(guī)USB記憶棒，也可用于接入一個帶USB插頭的媒體播放器、相機或手機。NAND閃存接口最多可支持兩塊芯片，而且能提供對單層(SLC)和多層單元(MLC)ECC的硬件支持，這便為音樂文件的存儲提供了海量的空間。

3、非常低的功耗

AVR32系列的功耗不到2.0mW/MHz，因而只需兩塊AA電池，就能持續(xù)150小時的音頻播放。而在只有實時時鐘運行的待機模式下，同樣的電池可維持9年多的時間。

4、豐富的外部接口

EVK1105還提供了大量的外設和接口，比如高保真音頻接口、10/100以太網(wǎng)口、無線模塊接口、外聯(lián)接口、麥克風、數(shù)模轉(zhuǎn)換和液晶顯示器。這大大的簡化了電路的設計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

因此，我們決定使用EVK1105作為本音樂播放器的硬件平臺。

3.2.2 EVK1105的詳細功能

EVK1105的硬件平臺結構如下：

圖6 EVK1105平臺

EVK1105硬件平臺資源介紹及其配置：

CPU：AT32UC3A0512主要特性如下

高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器

精簡單周期RISC指令集，含DSP指令集

“讀-改-寫”三步操作和位元處理操作

1.49 DMIPS/MHz性能表現(xiàn)

在FLASH中66 MHz下，高達91 DMIPS的運行速度(1等待狀態(tài))

在FLASH中33 MHz下，高達49 DMIPS的運行速度(0等待狀態(tài))

內(nèi)存保護單元

多層次總線系統(tǒng)

通過為提高性能而設的獨立總線上，實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸

15個外設DMA通道，提高外設通信速度

512K Bytes

單周期訪問速度高達33 MHz

預取緩沖，優(yōu)化了指令執(zhí)行效率，達到最高速度

4ms頁面編程時間和8ms整片擦除時間

100,000次寫周期，15年數(shù)據(jù)保存能力

FLASH安全鎖定和用戶自定義配置區(qū)

64K Bytes

兼容SDRAM/SRAM存儲器總線(16位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線)

自動向量低延時中斷服務，帶可編程優(yōu)先級

電源時鐘管理，含內(nèi)部RC時鐘和1個32KHz晶振

兩個多用途振蕩器和雙鎖相環(huán)(PLL)，允許獨立CPU頻率，不受USB頻率影響

看門狗定時器，實時時鐘定時器

Device 2.0全速，以及On-The-Go(OTG)低速和全速

通過專用的DMA通道實現(xiàn)靈活的端點配置和管理

片上收發(fā)器，含上拉電阻

802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器

支持媒體獨立接口(MII)和簡化MII(RMII)

3個外部時鐘輸入，PWM，接收和多種計時能力

內(nèi)部高速FLASH

獨立波特率發(fā)生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口

支持硬件握手操作，RS485接口和調(diào)制解調(diào)線路

內(nèi)部高速SRAM，全速單周期訪問

支持I2S協(xié)議和通用基于框架協(xié)議

外部存儲器接口，用于AT32UC3A0擴展

中斷控制器

采樣速率最高可達50 KHz

Nexus Class 2+，運行控制，非強加數(shù)據(jù)和程序跟蹤

系統(tǒng)功能

通用串行總線

10/100 Mbps的以太網(wǎng)MAC接口

1個三通道16位定時/計數(shù)器(TC)

1個7通道16位脈寬調(diào)制控制器(PWM)

4個通用 同步/異步 接收/發(fā)送器(USART)

2個主/從串行外設接口(SPI)，帶片選信號

1個同步串行協(xié)議控制器

1個主/從2-wire接口(TWI)，兼容400kbit/s I2C

1個8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

16位立體聲比特流

片上調(diào)試系統(tǒng)(JTAG接口)

100腳 TQFP(69 GPIO引腳)，144腳 LQFP(109 GPIO引腳)

5V輸入容差I/Os

3.3V單電源供電或1.8V-3.3V雙電源供電

外部設備和接口：

高保真音頻接口

該音頻接口作為本播放器的耳機的插口。

電壓選擇接口

為硬件平臺提供強大的能量支持。

USB接口

與PC通信，作為下載音樂文件的接口。無線模塊接口

該接口支持IEE802.15.4™/Zigbee® 和藍牙，作為無線收聽音樂和控制播放器的接口。利用該接口用戶可以隨時對播放器的播放狀態(tài)進行調(diào)整，并且該無線通信是雙向的，因此，用戶可以不用去尋找播放器，而只在耳機上就可以對播放器進行控制。

五向觸摸按鍵

按鍵直接對音樂播放器進行控制

LED燈

顯示音樂播放器當前的用戶數(shù)目，使用戶可以實時的了解當前的用戶數(shù)量。

2寸QVGA液晶顯示器

用于顯示播放器的播放狀態(tài)，如歌曲、音量和歌詞等信息，使用戶可以實時了解到系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)自己的喜好和需要對系統(tǒng)狀態(tài)進行調(diào)整。

數(shù)模轉(zhuǎn)換

為實現(xiàn)高品質(zhì)音樂享受提供保證。

綜上所述，基于EVK1105強大的音頻處理功能，豐富的外部結構，較低的功耗以及良好的外部存儲器擴展，該系統(tǒng)采用這個平臺進行相關的開發(fā)和制作。

3.3系統(tǒng)軟件架構

結合UC/OS-II實時操作系統(tǒng)的特點，該音樂播放器的軟件架構采用分層設計，整個軟件體系突出系統(tǒng)裁剪便捷化、軟件平臺重用性最大化的特點。該音樂播放器的軟件架構總共有四層：系統(tǒng)引導層、UC/OS操作系統(tǒng)層、動態(tài)加載專用驅(qū)動層和多任務應用層。

圖7 音樂播放器軟件架構

系統(tǒng)引導層

系統(tǒng)引導層是系統(tǒng)加電之后運行的第一段目標碼。首先完成基本硬件的初始化，然后初初始化關鍵外圍硬件，最后為內(nèi)核設置啟動參數(shù)并加載內(nèi)核。

(2)UC/OS-II操作系統(tǒng)層

UC/OS-II操作系統(tǒng)層是UC/OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過裁剪，實現(xiàn)最小功能集。本層主要包括硬件驅(qū)動、進程控制管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)用接口。其中，進程控制管理包括進程通信和進程調(diào)度。

(3)動態(tài)加載專用驅(qū)動層

動態(tài)加載式專用驅(qū)動層圍繞該音樂播放器專用硬件，采用加載方式實現(xiàn)驅(qū)動設計，并構成音樂播放器專用硬件加載式驅(qū)動層，該層主要包括無線接口驅(qū)動、LCD 驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、麥克風驅(qū)動、音頻接口驅(qū)動、USB驅(qū)動和外部存儲接口驅(qū)動。

(4)多任務應用層

多任務應用層是該音樂播放器專用功能的應用層實現(xiàn)。該層采用1個進程運行多個線程的機制實現(xiàn)多任務操作進程之間采用消息隊列通信機制。與專用硬件加載驅(qū)動層呼應，該層主要包括無線接口任務、界面顯示任務、按鍵輸入任務、麥克風處理任務、音頻接口任務、USB數(shù)據(jù)拷貝任務和電源管理任務。多線程與消息隊列通信機制不僅實現(xiàn)了多任務處理。同時方便了該音樂播放器功能擴充,為設備演進打下了良好基礎。

3.4系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)的軟件流程圖如下：

圖8 程序運行流程圖

EVK1105上電后，開始初始化，然后初始化UC/OS-II操作系統(tǒng)，完成初始化后系統(tǒng)創(chuàng)建各項任務，并創(chuàng)建一個優(yōu)先級最高的監(jiān)視任務，最后啟動操作系統(tǒng)，系統(tǒng)按照優(yōu)先級調(diào)度運行各項任務，并一直監(jiān)視各項任務的運行情況，直到關機鍵被按下。

3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結果

1、太陽能和振動能可以提供整個系統(tǒng)所需的絕大部分能量，實現(xiàn)真正意義上的環(huán)保和自主供能。

2、根據(jù)太陽能電池板的特性，實現(xiàn)太陽能的最大轉(zhuǎn)換，提高太陽能供電比重。

3、多用戶播放功能，在UC/OS-II實時操作系統(tǒng)的控制下，可以隨時增加或刪減收聽的用戶的數(shù)目，最多可以同時為4個用戶播放音樂，并將當前的用戶數(shù)量用LED燈的方式顯示出來。

4、借助EVK1105上的無線接口，是每個用戶都可以無線收聽音樂，擺脫耳機線的束縛，更加自由的享受音樂的美妙。同時，借助耳機上的按鍵實現(xiàn)音樂播放器的防丟失功能。

5、利用具有DSP指令的AT32UC3A系列CPU，實現(xiàn)高品質(zhì)的音樂播放。

6、借助AT32UC3A上的USB等高速接口，實現(xiàn)音樂文件的海量存儲。

四、創(chuàng)新點

該系統(tǒng)在功能上和系統(tǒng)設計上主要有以下幾點創(chuàng)新：

振動能量采集

雖然如今已有一些振動能量采集的方案，但是大多局限于微型傳感器的使用，該系統(tǒng)將采集到的振動能量用于音樂播放器，使得能量的采集手段更加豐富。

輔助尋找功能

針對便攜式產(chǎn)品不易尋找的特點，該系統(tǒng)加入輔助尋找，系統(tǒng)各部分可以進行聲音應答，為用戶提供的方便。

多用戶播放功能

該功能使得單個音樂播放器不再局限于只為單個用戶播放歌曲的現(xiàn)狀，而是可以同時為多個用戶提供不同的音樂。