Любимая музыка может поднять настроение, сделать пасмурный день не таким мрачным, развеять тяжелые мысли. Наверное, поэтому мы так часто видим на улице, в метро или в автобусе, в очереди в магазине людей в наушниках. Можно с уверенностью сказать, глядя на них, что они редко расстаются со своим увлечением, где бы они ни были. Предосторожение врачей о возможной глухоте тоже мало кого пугают. Больше беспокоит: на сколько хватит батареек, какое максимальное количество песен можно взять с собой (в дорогу); важен и размер плеера или приемника. С появлением портативных цифровых устройств воспроизведения звука многие беспокойства сошли на нет. Габариты и масса современных плееров практически незаметны и не стесняют движений, без лентопротяжного механизма энергии батарей хватает надолго, а совершенствование технологий аудиосжатия сделало возможным хранение музыки без потери качества в меньшем объеме памяти. Разработке собственного МР3-плеера и посвящена эта статья.
Проектирование такого устройства, как плеер, объединившего в себе дюжину «ноу-хау», на первый взгляд, может показаться просто невозможным. Но если воспользоваться опытом и репутацией специалистов в этом вопросе, то все окажется намного проще и яснее в достижении поставленной цели.
Разработчики компании VLSI (www.vlsi.fi) предлагают однокристальное решение для создания МР3-плеера — микросхему VS1001k.
VS1001k понимает все известные и наиболее популярные алгоритмы аудиосжатия MPEG — 1, 2 Layers I, II, III, а также так называемые MPEG 2.5 Layer III файлы с любой типовой скоростью и частотой дискретизации, поддерживается также и переменная скорость VBR (Variable Bitrate).
Микросхема состоит из быстродействующего сигнального процессора VS_DSP с низким потреблением мощности (см. рис. 1), 4 кбайт памяти для служебных программ и 0,5 кбайт — для пользовательских, двух последовательных интерфейсов типа SPI (разработана и впервые применена фирмой Motorola). Управление схемой декодирования реализовано через SCI-интерфейс, прием цифровых данных через SDI. Кроме того, микросхема содержит быстродействующий сигма-дельта стерео-ЦАП и стереоусилитель для подключения наушников.
Для корректной работы микросхемы необходим управляющий микроконтроллер. VLSI рекомендует AT90S4414 фирмы Atmel, хотя можно использовать и любой другой. В функции микроконтроллера входит выдача последовательных цифровых данных по запросу VS1001K, их синхронизация, выдача управляющих сигналов, также синхронизированных.
VS1001k производится в корпусах SOIC-28 и BGA-49 (рис 2). Первый тип корпуса удобен для макетирования и ручной сборки, второй — для серийного производства.
Для того чтобы разобраться, как в действительности работает это устройство, рассмотрим схему (рис. 3). На ней наглядно представлены этапы прохождения исходных данных через структурные блоки микросхемы. Направление движения звуковых данных может изменяться в зависимости от более точных настроек, которые доступны для управления через систему регистров. Механизм настройки мы рассмотрим немного позже.
Данные могут поступать в микросхему через шину данных SDI (предназначенную для этого) и шину управления. Второй способ исключает прохождение потока данных через декодер MP1/2/3, при этом поток данных представляет собой 16-разрядный линейный (оцифрованный) код, SM_DAC = 1. Если мы подаем на вход SDI полноценный mp3-файл, то SM_DAC необходимо выставить в 0. Затем звук проходит через простенький эквалайзер. На этом этапе можно либо увеличить уровень низких частот (SM_BASS = 1), либо уменьшить его (SM_BASS = 0). SM_DAC и SM_BASS — это 5 и 7 биты регистра MODE (см. п. Интерфейс SCI).
Специалистами VLSI была предусмотрена возможность вносить изменения в звуковой поток при помощи пользовательской программы, для которой выделено 0,5 кбайт в памяти микросхемы. Такое дополнение к функциональности позволяет реализовывать собственные фильтры, накладывать различные эффекты (например, эхо или реверберацию). При A1ADDR, установленном в ноль, данные не попадают в блок User Application, а попадают сразу на вход блока контроля громкости. В том случае, когда разработчик использует собственную программу, этот регистр должен быть равен адресу начала программы.
Буфер FIFO предназначен для того, чтобы своевременно выдавать данные на ЦАП с частотой, равной частоте дискретизации.
Интерфейс SCI
SCI — последовательный двусторонний интерфейс, обмен информации осуществляется 16-разрядными словами. Каждый сеанс чтения-записи позволяет обратиться только к одному из регистров микросхемы.
| Код чтения-записи | Адрес регистра | Чтение-запись значения |
На рис. 4, а изображены диаграммы уровней сигналов на выводах SCI-интерфейса при чтении и записи соответственно. Операции чтения и записи определяются 8-битным кодом, за которым следует адрес регистра, и, если мы говорим о чтении, то на выводе SO снимаем с побитовой синхронизацией SCK значение данного регистра. При записи в регистр после его адреса следует его новое значение (рис. 4, б). Для чтения код равен 0000 0011 (0x3h), для записи 0000 0010 (0x2h). После каждого приема-передачи должна следовать пауза в 500 микросекунд.
Как уже было сказано ранее, настройка микросхемы осуществляется через регистры. Все они перечислены в таблице 1.
Таблица 1
Регистры располагаются в X-памяти (см. структурную схему) начиная с адреса 0x4000…0x40FF. При сбросе все регистры устанавливаются в нули.
Макет
Прежде чем переходить к коду, есть смысл собрать макет устройства (я вообще поклонник отладки программ на реальном железе). Берем плату Blue Pill и подпаиваем к ней модуль дисплея с картодержателем. Пайка позволяет нам не сталкиваться с проблемой дребезга соединений, которая может доставить много неприятностей на этапе отладки.
Тестовый модуль для VS1011 я собрал на макетке, использовав переходник с QNF48 на DIP, схему которого я посмотрел в даташите. На самом деле так заморачиваться необязательно — можно взять готовый модуль. Но у меня его не было, а ждать не хотелось.
В итоге я все это собрал за несколько часов и был готов переходить к коду.
Схема плеера
Макет устройства
Макетная плата кодека VS1011
Макетная плата кодека VS1011
Дисплей макета с ранним вариантом интерфейса
Установка частоты дискретизации
VS1001k позволяет проигрывать звуковые файлы с максимальной возможной частотой дискретизации 48000 Гц. При этом задающий генератор (речь идет о кварцевом или диэлектрическом резонаторе) должен работать на частоте не менее 24,576 МГц, именно эта частота рекомендована для микросхемы. Если частота генератора меньше, уменьшается и частота дискретизации. Для ее расчета можно воспользоваться формулой:
Как видно из выражения, при рекомендуемой частоте результат равен 48000. От частоты генератора напрямую зависит производительность DSP-процессора. В таблице представлена зависимость качества звука (скорость звукового потока и частоты дискретизации) и задающей частоты:
Эти значения соответствуют алгоритму декомпрессии, при котором частота дискретизации остается постоянной. В случае декомпрессии с переменной частотой скорость потока может увеличиваться.
При использовании нестандартной частоты генератора до начала проигрывания необходимо записать в параметр CLOCKF значение, рассчитанное по формуле:
При низких задающих частотах (ниже 15 МГц) микросхема позволяет удвоить ее. Для этого необходимо установить самый старший бит регистра в единицу, то есть для 14 МГц справедливы следующие вычисления:
Первая часть
Проигрыватель был безжалостно разобран на части.
Все что осталось
Из всего набора был оставлен только трансформатор, управляющая схема, двигатель и питч контроль, которым с помощью обычной системы стробоскопа, можно регулировать скорость вращения.
Корпус был изначально задуман как многослойный, с прослойками антивибрационного материала, в качестве которого была выбрана байка, тонкие 3 миллиметровые полоски между 3см слоями дерева. Всего получилось 6 слоев.
Первая примерка слоев дерева
Обычно корпуса склеивают, но тут я наткнулся на выбор, залить клеем анти-вибро слои, тем самым убив саму идею многокомпонентного корпуса, либо — пойти на не клееный корпус. Второе победило, в результате чего корпус стянут стяжками 6 стяжками, что совместно с расположением слоев перехлестом, делает его полностью монолитным.
Крепление слоев с вырезанной шахтой для двигателя
После обработки корпуса напильником шлиф-машиной, внутрь корпуса была вмонтирована электроника с двигателем. Основной проблемой стало полное разделение двигателя и корпуса, по возможности разумеется. Для этого из Fimo пластика были вылеплены ножки, которые после запекания становятся достаточно твердыми, но имеют свойство сжиматься, как очень твердая резина, тем самым обеспечивая компенсацию микровибраций возникающих при вращении.
Далее, было проведено выравнивание положение двигателя относительно корпуса с помощью цифрового микрометра, дабы расстояние между диском и поверхностью было минимальным. На данный момент оно составляет примерно 2.5мм.
Шахта для электроники управления с задней стороны
Для первой примерки использовал то, что было под рукой, латунная пластина для крепления элементов управления выкрашенная в черный цвет.
Блок управления в процессе примерки
После того, как все было собрано, обеспечен контроль над скоростью вращения и смонтирован блок управления в первом приближении, оставалось найти тонарм, придумать систему крепления и попробовать прибор в деле.
Подача тона на выход
Последовательность 0x53 0xEF 0x6E n генерирует синусоиду, поступающую на выход устройства. Параметр n может принимать значения от 48 до 119. Параметры тестового сигнала определяются по формулам:
И таблицам:
Авторы надеются, что в этой статье достаточно внимания было уделено знакомству с особенностями проектирования MP3.
Несколько слов о непосредственном включении VS1001k. Как показано на рис. 5, для управления VS1001k требуется 8 входов-выходов микроконтроллера.
При некоторых ограничениях это количество можно снизить до 6, как показано на рис. 6.
Чтобы такая схема работала, необходимо выполнение трех условий:
- MISO и GIO2 должны быть запрограммированы как входы, остальные — как выходы;
- когда SPI находится в неактивном состоянии, синхронизация SPI должна быть такой, как показано на осциллограмме (рис. 7);
- Если шина SPI недоступна, но микроконтроллер достаточно быстр, для организации сигналов MISO, MOSI и SCK могут быть использованы общие входы-выходы микроконтроллера.
В этой схеме GIO1 осуществляет выбор шины. Если он установлен в 1, XCS не активен, и тактовый сигнал SCK поступает через логический элемент «И» на вход DCLK. Таким образом, данные посланы шине SDI. Когда GIO1 установлен в 0, XCS активизируется, и синхронизация DCLK прекращается. Теперь данные поступают на шину SCI.
Например, требуется установить уровень громкости –2 дБ для левого канала и –3,5 дБ для правого канала. Для этого мы должны записать 0x0407 в регистр VOL [1, стр. 50]:
- активизируем интерфейс SCI, устанавливая GIO1 в 0;
- записываем четыре байта (0x2, 0xb, 0x4, 0x7) в SCI;
- заканчиваем передачу данных по шине SCI, устанавливая GIO1 в 1.
Для приема данных по шине SCI, в частности, для чтения содержимого регистра VOL необходимо:
- активизировать интерфейс SCI, GIO1 — в 0;
- записать два байта (0x3, 0xb) в SCI;
- записать один байт с любым содержимым в SCI. Прочитать содержимое регистра MISO микроконтроллера, который содержит теперь восемь старших битов результата;
- записать один байт с любым содержимым в SCI. Прочитать содержимое регистра MISO микроконтроллера, который содержит теперь восемь младших битов результата;
- объединить старшие и младшие биты для получения 16-разрядного слова;
- закончить обмен данных по шине SCI, GIO1 — в 1.
Чтобы отправить MP3-данные к VS1001k, нужно воспользоваться следующим алгоритмом:
- ждем, когда активизируется DREQ (1);
- активизируем DCLK, GIO — в 1.
- для каждого байта делаем следующее: устанавливаем BSYNC в 1;
- активизируем передачу по SPI;
- ждем, пока по крайней мере первый бит данных будет отправлен, а последний бит данных — нет;
- устанавливаем BSYNC в 0;
- ждем окончания SPI-цикла микроконтроллера для завершения процедуры.
Три сигнала (сверху вниз) изображены на рис. 7: DCLK (желтый), SDATA (голубой) и BSYNC (розовый). BSYNC сначала активен. Данные посланы и прочитаны VS1001k по фронту тактового сигнала DCLK. Переданное число, показанное на осциллограмме, — 0b01000101 или 0x45. Используемая тактовая частота — 1 МГц, потому что это максимально возможное значение, которое может предложить используемый микроконтроллер.
На осциллограмме рис. 8. продемонстрирована посылка тестовой команды SDI. Здесь переданы восемь байтов: 0x45 0x78, 0x69, 0x74, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0. Эта последовательность тестирует синусоидальный выход VS1001k [1, стр. 35]. Обратите внимание, что задержка между последовательными байтами обусловлена низкой производительностью управляющего микроконтроллера и для самого VS1001k не нужна.
В заключение хочется отметить, что использование VS1001k не ограничивается созданием МР3-плейера. VS1001k может быть также полезен для создания любых бытовых устройств и высокотехнологичных игрушек с функциями воспроизведения речи.
Наверное собрать все вместе и запустить это очень сложно? Linux учить надо, да?
Во-первых, когда из разных комплектующих своими руками собирается что-то работающее — это невероятно увлекательно. Во-вторых, это экономично, да, уже сейчас за 399$, 999$ или 9000$ можно купить неплохие стримеры, но это неспортивно.
В третьих, вы создаете гибкий конструктор, в нем можно улучшить тактовый генератор, или поставить другой плеер, или по-другому организовать хранение файлов или подключить новый стимминговый сервис (например, Spotify) — в фирменных источниках все зависит от производителя, со своими источником можно делать всё что угодно. Ну и наконец, это несложно — сложность варьируется от простого прищелкивания платы расширения до небольшой пайки. Ну и сам Linux не так страшен. Установить на него специальную аудифильскую ОС Linux тоже просто. Дальнейшая настройки и использование не потребуют от вас знания секретных команд. Потребуется время, чуть внимания, но вы это сможете!
Комплект отладки
В комплекте отладки VS1001 KIT, изображенном на рис. 9, для решения этой задачи использован контроллер USB PDIUSB12 фирмы Philips, хотя в отечественных условиях для этого проще использовать микросхемы FT245BM фирмы FTDI или USBN9603 от National Semiconductor. На печатной плате комплекта отладки размещена также ПЛИС XCR3064XL фирмы Xilinx, основная задача которой состоит в генерации сигнала BSYNC — синхронизация байтов для VS1001k. Но эту задачу, как указано в технической документации, может успешно выполнять и управляющий микроконтроллер.
Дополнительно к уже описанным компонентам комплект отладки содержит разъем USB-B для подключения к ПК, разъем для подключения ММС-карты на 8 или 16 Мбайт (куда записываются MP3-файлы), 5 кнопок управления (увеличение-уменьшение громкости, перемотка, пауза), разъем для подключения наушников. Плата может работать как MP3-плеер через USB либо автономно (при этом требуется обеспечение внешнего питания +5… +7 В). К VS1001 KIT прилагается также дискета с программным обеспечением, которое включает в себя полную техническую документацию на микросхему, драйверы под Windows 98/2000 и инструкции по программированию USB-драйвера.
Шаблон будущей программы
Прежде чем писать основные функции, полезно инициализировать дисплей и клавиатуру. Про дисплей я уже говорил выше, а клавиатура четыре на четыре кнопки у меня осталась от макета телефона.
В исходнике ниже — стандартные заголовочные файлы, функции инициализации периферии, функции инициализации дисплея и клавиатуры и в конце вывод строчки Hello world.
Продолжение доступно только участникам
Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее
Зачем подключать USB
Еще с 70-х годов прошлого столетия из автомобилей доносится музыка. Поначалу такая роскошь, как радио в машине, была доступна далеко не всем. Ею похвастать могли лишь представительские марки, например Волги. Промышленность не стояла на месте, и вскоре радиоприемник был оснащен кассетным магнитофоном, а потом стал поддерживать диски и даже флеш-карты.
Автомобилистам, в чьем железном коне нет приемника, отвечающего всем современным требованиям, расстраиваться не стоит. Установка USB в штатную магнитолу легко проводится и не требует особых навыков. Справиться с такой задачей сможет практически каждый.
Интересующий нас вход позволяет слушать музыку с подключенной к аудиотехнике флешки (стандарта 2.0), если в машине магнитола без USB и аукс. Это удобно и востребовано. Не отвлекает водителя от управления, в отличие от ситуации, когда к магнитоле подключен телефон.
Ты водитель автомобиля?! Тогда ты сможешь пройти этот простейший тест и узнать . Перейти к тесту »
