《DSP技术与应用》课程设计报告基于DSP的MP3播放器设计.doc

淮阴工学院DSP技术及应用课程设计报告选题名称: 基于DSP的MP3播放器设计 系（院）: 计算机工程学院专 业:计算机科学与技术(嵌入式系统软件设计)班 级: 计算机1073班 姓 名: 学 号: 指导教师: 学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期2010年 6 月 12 日摘要：本次设计通过用一个能实现MP3播放功能的事系统的设计学习。我了解到了DSP应用中的编码转换显示，存储原理，静态扫描显示原理，DSP的定时中断原理等，从而达到学习、了解DSP相关指令在各方面的应用，让我们学到更多关于单片机方面的知识。DSP课程设计是数字信号处理和DSP原理与应用课程相结合的实践过程，通过本课程设计，可以进一步领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的数字信号处理操作，进一步理解DSP芯片的硬件实现机理及其内部结构特点，掌握DSP系统的开发流程和基本编程方法，实践工程的调试方法和仿真方法。使用专业的MP3解码芯片，辅以简单的外围电路实现。以通用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)为核心，搭建相应的外部电路形成一个系统，解码功能通过对数字信号处理芯片编程来实现。这种方案中，使用一定开发环境进行软件的设计实现和调试测试。为了满足解码系统的需求，需要根据性能和技术要求，对通用的数字信号处理芯片进行外围电路扩充。基于此,本文提出了一种基于DSP的MP3播放器的设计和实现方案。该MP3播放器基于DSP技术，采用慢速大容量外存加高速小容量外存的组合方式，音乐文件先从慢速外存下载至高速外存再载入DSP的高速RAM，下载一部分处理一部分。采用与PC机的串口通信方式实现文件的下载速度较慢，也可利用USB接口进行高速的通信。关键词：DSP；MP3；控制；编码；解码；目录1 课题概要11.1硬件要求11.2软件要求12系统分析22.1 要达到的技术指标22.2功能描述22.3 TMS320C6711 DSP芯片简介33设计方案43.1 设计方案概述43.2 基于DSP的系统设计方案43.3 软件系统设计方案54 系统整体框图65 硬件电路设计65.1单片机控制模块65.2 系统的PCB图9总 结10致 谢11参 考 文 献121 课题概要1.1硬件要求预期的MP3播放器的目标系统硬件要求实现以下功能：a) 能够对MP3码流进行解码，从MP3格式恢复成PCM码流。系统应该能够保证解码过程的正确性，并能够满足解码算法在实现过程中所需要的存储空间、计算速度等需求；b) 能够存储一定量的MP3码流文件，供解码系统使用。在系统初步实现时，存储的码流长度至少要保证能够从主观上感受到音频信号解码的效果； c) 能够把解码后输出的PCM码流通过扬声设备，如耳机、音箱等播放出来，这样才能够从直观上判断解码的效果，并且方便后期在使用该系统方案时进行直观性能评价和直接应用；d) 能够满足系统的功率要求。一般情况下，对于电子类便携式系统，或者嵌入式应用方案来说，系统的功耗要比较低，用电池供电能够满足系统的工作需要。1.2软件要求系统的软件应该能够实现以下功能：a) 能够从数据存储介质中读取MP3码流数据，要能保证数据读取的速度满足系统的需要；b) 能够正确定位MP3文件数据的地址和文件长度，为后期进行歌曲选择打下基础；c) 能够正确对MP3码流进行解码，并且以所需要的格式和方式输出。解码算法要在目标系统中实现，因此，不但要保证算法的正确性，也要保证算法的适应性，充分利用目标系统性能特性，并满足系统的运算速度要求；d) 能够正确协调硬件各个模块的工作，提供正确的芯片控制信号，这项软件功能是专门针对硬件的，需要根据目标系统的硬件需求来设计实现2 系统分析2.1 要达到的技术指标序号技术指标参数1内存2GB2数据流速度64kb/s320kb/s3谐波失真0.01%4信噪比90dB5动态范围85dB6通道分离度80dB7录音格式ADPCM8录音数据流速率16kb/s-32kb/s9解码功能16、32kb/s等（WAV格式）16、32、48、64、128kb/s等（MP3格式）10USB接口34Mb/s（下载）56Mb/s（上传）11音频输出功率（5-7.5）mW×212电池AAA型1节13静态电流2uA14待机电流30mA15工作电流70mA16录音取样频率8kHz图2.1 MP3播放器的基本技术指标2.2 功能描述序号功能当前状态操作结果1播放待机、停止按PLAY键顺序播放内存中的MP3歌曲2随机播放播放按随机键MP3中的歌曲随机播放3重复播放播放重复按REPEAT键普通播放单曲重复所有歌曲重复普通播放4循环播放播放按MODE键按一次设起点，再按一次设终点，两点间循环播放循环播放按MODE键返回原播放5 音场选择待机、播放重复按EQ键普通（NORMAL）古典（CLASSIC）摇滚（ROCK）重低音（BASS）迪斯科（DISCO）爵士（JAZZ）流行（POP）普通（NORMAL）6音量控制播放按VOL+键声音增大按VOL-键声音减小7搜索播放按REW或FF键向前或向后搜索歌曲并播放待机、停止按REW或FF键向前或向后搜索歌曲文件名8暂停播放按PLAY键暂停播放暂停播放按PLAY键恢复播放9删除待机：选定文件按DEL键二次删除选定文件10锁定待机、播放按HOLD键其他键失去作用锁定按HOLD键取消锁定11浏览停止按REW或FF键顺序显示存储器中的歌曲文件名12停止播放按STOP键停止13关机停止按“开关”键关机待机n分钟无图2.2 MP3播放器的功能描述2.3 TMS320C6711 DSP芯片简介veloci结构使C6000 DSP成为高性能的DSP芯片。典型的VLIW结构由多个并行运行的执行单元组成，这些单元在单个时钟周期内可执行多条指令。并行是突破传统设计而获得高性能的关键。C6711处理器由三个主要部分组成:CPU内核、外设和存储器。CPU中8个功能单元可以并行操作，这些功能单元被分成类似的两套，每套由4个基本功能单元组成。CPU有两组寄存器，每组寄存器由16个32位寄存器组成。由于在运行期间个做硬件数据相关性的检查，所以程序的并行性在编译时就被确定。片内程序存储器的总线宽度为256的，使每个周期可取8条32位指令。C6711芯片包括片内程序存储器和数据存储器，有些芯片将这些存储器作为高速缓冲存储器。外设包括直接存储器访问(DMA)、低功耗逻辑、外部存储器接口、串口、扩展总线或主机口和定时器等。具有以下特点：1 运行速度快。指令周期为6ns，峰值运算能力为1336MIPS,对于单精度运算可达1G FLOPS，对于算精度运算可达250MFLOPS.2 硬件支持IEEE格式的32位单精度与64为双精度浮点操作。3 继承了32*32bit的乘法器，其结果可为32或64bit.4 C6711的指令集在C62的指令集基础上增加了浮点执行能力，可以看作是C62指令集的超集。与C62系列芯片一样，由于其出色的运算能力、高效的指令集、智能外设、大容量的片内存储器和大范围的寻址能力，这个系列的芯片适合用于基站数字波束形成、图像处理、语音识别等对运算能力和存储量有高要求的应用场合。3 设计方案3.1 设计方案概述为了能够设计和实现出较高性能的系统，需要了解当前的MP3解码器系统的实现方案。市场调查和技术咨询的结果显示，目前MP3播放器系统MP3解码模块一般有两种实现方案。第一、使用专业的MP3解码芯片，辅以简单的外围电路实现。这种方案的优点是系统个体集成度高，电路结构紧凑，实现相对比较简单，能够很快设计实现出目标系统并投入使用，但是由于使用的是专业芯片，芯片中的功能模块即使能扩充，幅度和范围都相对较小，系统很难进行算法升级或功能扩充，在嵌入式应用中与原系统的集成度不高。第二、以通用数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)为核心，搭建相应的外部电路形成一个系统，解码功能通过对数字信号处理芯片编程来实现。这种方案中，使用一定开发环境进行软件的设计实现和调试测试。为了满足解码系统的需求，需要根据性能和技术要求，对通用的数字信号处理芯片进行外围电路扩充。这种方案的优点是系统实现的灵活性高，功能的可扩展性强，系统成本可以通过对芯片的选择控制到相对较低的水平，而且对于同样使用数字信号处理芯片实现的系统来说，能最大程度地进行系统集成。但是由于整个系统从硬件到软件都需要自行设计和搭建，系统实现的难度和复杂度比较高。对于本系统设计采用方案二，即采用以DSP实现编解码的系统。3.2 基于DSP的系统设计方案MP3解码器的解码算法完全由DSP芯片实现，其控制部分用单片机实现，作为硬件电路设计的一个部分。电路的整体设计与开发需要综合考虑前面两部分程序算法接口内容，可以在进行详细的程序设计的基础上进行。这样，可以把MP3解码器的开发工作分为两大模块，即MP3解码程序DSP实现，即软件设计，以单片机控制程序和电路板设计部分，即硬件设计。MP3系统开发从模块上可以划分为硬件开发和软件开发两个部分，软件主要实现MP3解码算法，单片机实现存储器访问控制，MP3文件播放控制等功能。系统总体的功能结构如图一所示。图3-2 系统结构框图3.3 软件系统设计方案软件系统设计方案是用DSP软件实现MP3解码算法功能，并完成相应的接口访问功能，软件功能图如图二所示。图3-3 MP3解码器软件系统功能原理图4 系统整体框图MP3解码算法要被用来实现数码MP3实时解码适配器，所以必须通过硬件实现其算法。本系统以DSP(TMS320VC5416)作为解码的主要部分，还包括音频D/A转换，单片机的控制模块，电源系统，存储器模块等组成，图三给出了系统框图。图4-1 系统整体框图5 硬件电路设计5.1单片机控制模块(1) USB接口电路与控制下面介绍以下PDIUSBD12芯片。图5.11 PDIUSBD12芯片引脚D0D7:双向8位数据线。ALE: 地址锁存使能信号。CLKOUT：可编程时钟输出。/INT: PDIUSBD12中断输出。D-: USB D-数据线。D+: USB D+数据线。PDIUSBD12适应于不同类型的设备，有四种不同的模式：非同步传输，同步输出传输，同步输入传输，同步输出/输入传输。共有3各端点，分别为端点0，端点1和端点2。端点是一个USB设备唯一可以确认的部分，它是主机和设备之间的通信流终点。每一个USB逻辑设备都包括一个端点集合，PC机应用软件只能通过一个或多个端点与一个USB设备通信。在设备接入时，每个逻辑设备都有一个由系统分配的唯一地址，而一个设备上的任一个端点都有一个有设备确定的唯一的标识和端点号，利用设备的地址和端点号就可以唯一指定任一个端点。所有的USB设备都要拥有端点0，它总是在设备一经接入和上电时就进行配置。该端点用于对一个逻辑设备进行初始化和一般的操作。端点0支持控制传输，通过它访问一般的USB状态和控制操作。除了端点0外，功能设备还具有其他端点，如PDIUSBD12的端点1和端点2.低速功能设备有两个端点可供选择，而一个全速设备最多可以有16个输入端点和16个输出端点。（2） 单片机与键盘控制单片机采用80C52芯片，实现按键管理，及USB控制。图5.12 USB,键盘和单片机接口电路5.2 系统的PCB图图5.2系统生成的.Pcb总 结这是一个磨练意志的过程。从课题的选择开始，到硬件和软件系统的设计，这其中经历了很多困难，但是更重要的是在这个过程中我得到了很大的锻炼。通过这周的DSP课程设计加深了对TMS320C54X的了解，对DSP这门课的认识进一步加深了。从一个刚入门的学习者,渐渐的爱上了这门技术，虽然说对于DSP技术方面的知识还有很多要学习和提高，但是在这周我还是感受到这门课程的魅力所在。我学会了Protel电路板的绘图操作，并通过上网搜索资料，查阅课本及课外书籍，对电路各部分组成器件的工作原理加深了解。学会了仿真环境使用方法，动手设计电路组成器件以及器件之间的布局与连接，加强了动手能力。一方面通过TMS320C54X等一些器件的设计让我学习和掌握了DSP技术的基础知识和技术要点，也使以前学的很多知识都得到了运用；另一方面在用Protel 99 SE软件画电路图,这个过程中让我掌握了计算机辅助的设计技术。当然，这是一个需要不断的尝试，不断的校核，不断的修改，最后完成一个合理的设计的过程。需要的是细心和耐心。这在很大程度上锻炼了我的思考能力和动手能力，避免了以往的抄袭和偷懒的行为，凡是都是自己亲力亲为，这样就可以将自己以前不懂的、一知半解的全部解决。但在老师和同学的帮助下经过两个星期的不停设计，终于把DSP芯片MP3播放器的控制电路电路原理图完成了。经过这次课程设计，极大的提高了我的独立思考分析问题的能力，同时激发了我对这方面的兴趣。这次课程设计，让我学到很多有用的知识和加强了能力，让我知道了DSP芯片在整个MP3播放器电路中的作用以及各部分电路的原理。当然也发现自己很多不足之处，尤其在理论与实践环节中脱节。也体会到其实自己想到了并不一定是自己能轻易做到的，凡是都有靠自己的不断实践，进而将自己的实践水平不断提高到相应的理论水平来。当然自己的理论水平还不够，还得努力加强。这次课程设计让我明白其实动手操作是以巩固的理论知识为基础的，因为这要求我更加努力的学会书本上的知识。在做设计的过程中总会出现各种问题，在这种情况下我们都会努力寻求最佳路径解决问题，无形间提高了我们的动手，动脑能力，并且同学之间还能相互探讨问题，研究解决方案，增进大家的团队意识。致 谢本次课程设计。在经过大约一周的忙碌和准备后，本次关于课程设计总算是完成了。由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起学习的同学们的大力帮助与支持，想要完成这个设计是难以想象的，而且在实验过程中将会遇到许许多多不可克服的难题。本次课程设计是在马岱老师的精心指导下和其他同学的大力帮助下完成的。马岱和常波老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次课程设计过程中我也学到了许多了关于DSP方面的知识，实验技能有了很大的提高，实践调试能力也得到进一步提高。 另感谢老师对我实验以及报告写作的指导，他们为我完成这篇报告提供了巨大的帮助。还要感谢，班上同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成这次课程设计。同时也使我通过本次实验学到了许多知识以及自己在某些方面的不足。同样要淮阴工学院给我提供了这么一个锻炼自我的机会，感谢计算机工程学院的领导们给我们提供了实验室，让我的学习不只是停留在理论上，而是上升到了实践，让我感受到了动手能力的重要性，并检验了我的理论知识水平。参 考 文 献（1） 乔瑞平，崔涛，TMS320C54x DSP 原理及应用，西安电子科技大学出版社，2005.2（2） 计丹, 基于定点DSP的MP3解码系统设计与实现, 硕士学位论文, 2002.（3） 吕海平, 基于DSP的MP3编码器技术研究 , 硕士学位论文, 2007.（4） 王希公, MP3数码音频播放机设计 ,天津大学工程硕士学位论文, 2004.（5） 廖义奎，ARM与DSP综合设计及应用，中国电力出版社，2009.9（6） 饶运涛，邹继军，王进宏，郑勇云，现场总线CAN原理与应用技术（第2版），北京航空航天大学出版社，2008.7