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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Leitor de MP3 - set-top box para PC. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / informática Chamamos a atenção dos leitores para um MP3 player - dispositivo que é um decodificador de MP3 conectado a uma porta paralela (LPT) de um computador. Pode ser usado em um centro de música estacionário ou em um carro (quando usado para controlar e armazenar informações em um computador de qualquer tipo ou dispositivo em um microcontrolador), para expandir a funcionalidade de computadores “lentos”, etc. MP3, MPEG-1* Layer 3, MPEG Audio são os nomes da técnica de compressão para um fluxo ou arquivo de áudio digitalizado. A característica fundamental da codificação MPEG é a compactação com perdas. Depois de empacotar e descompactar um arquivo de áudio pelo método MP3, o resultado não é idêntico ao original “bit por bit”. Pelo contrário, o empacotamento exclui propositalmente componentes não essenciais do sinal empacotado, o que leva a um aumento extremo na taxa de compressão. Dependendo da qualidade de som necessária, o método MP3 pode comprimir um sinal de áudio digital dez vezes ou mais. Graças a isso, as composições musicais de um CD de áudio compactado com qualidade de som aceitável ocupam apenas 60...70 MB. Hoje esse formato está se tornando cada vez mais popular. Dezenas de dispositivos de diversas empresas são produzidos em massa usando uma variedade de mídias de armazenamento: cartões de memória, CDs, discos rígidos. Existem muitos dispositivos amadores, cujas descrições, por exemplo, podem ser encontradas na Internet [1], - desde computadores com decodificação de dados de software até dispositivos com decodificação de hardware e capacidade de trabalhar com vários meios de armazenamento diferentes simultaneamente. Porém, usar um MP3 player junto com um computador tipo laptop, mesmo com processador de baixo desempenho (286, 386, 486), que pode ser adquirido por uma pequena taxa no mercado de rádios, compara-se favoravelmente a todos os outros dispositivos. Em primeiro lugar, em termos de preço - o custo de um microcontrolador, display LCD e outras peças é maior do que um laptop antigo. Em segundo lugar, em termos de funcionalidade - uma tela de alta resolução com escala de cinza (ou mesmo colorida), um grande conjunto de teclas de controle, a capacidade de usar simultaneamente o computador para outros fins (por exemplo, como relógio, para controlar vários dispositivos) . Em terceiro lugar, em termos de flexibilidade - o software é escrito em uma linguagem de programação de alto nível e pode ser alterado de forma fácil e rápida sem o uso de um programador usando o próprio computador O diagrama de blocos de um MP3 player é mostrado na Fig. 1. Como você pode ver, ele se conecta à porta paralela do computador e consiste em um conversor de nível de sinal U1, um decodificador de MP3 de hardware U2 e uma fonte de alimentação A1.
O gargalo do dispositivo é a baixa largura de banda da porta paralela do computador. Ao testá-lo em um computador com porta SPP (porta paralela padrão) baseado em processador Intel 486DX-33, o fluxo de dados máximo no qual as composições musicais foram reproduzidas sem gagueira foi de 128 Kbps. Em um computador com porta paralela EPP (porta paralela aprimorada), onde a velocidade de troca atinge 0,5.. 2 MB/s (a velocidade de troca com o dispositivo é bem menor, pois a troca de dados ocorre apenas ao longo de uma das linhas de sinal, e o controle de dados é realizado por software) fluxos de 192 Kbps e superiores são normalmente reproduzidos. Se desejar, para interfacear o dispositivo com um computador, pode-se utilizar a interface para conexão ao barramento ISA, descrita em [2], com uma ligeira modificação do software. Porém, neste caso, o escopo do dispositivo será reduzido - ele só pode ser conectado a computadores desktop, já que laptops geralmente não possuem esse barramento. O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na Fig. 2. O conversor de nível lógico é implementado em elementos NOT com coletor aberto (chips DD1, DD2) e transforma níveis TTL em níveis lógicos com nível alto de 3 V e vice-versa.
O chip DD3 (VS1001k da empresa finlandesa VLSI Oy) é um processador de sinal digital (Digital Signal Processor - DSP) para decodificação de hardware das camadas MPEG 1, 2 e 3 [3, 4]. Seu diagrama de blocos é mostrado na Fig. 3. O chip contém um núcleo DSP de alto desempenho com baixo consumo de energia (VS_DSP), memória de trabalho, RAM de programa (4 KB) e RAM de dados (0,5 KB) para aplicativos de usuário, controle serial e interfaces de dados, um DAC de alta qualidade e um amplificador 3H para fones de ouvido.
O VS1001k recebe dados de entrada através de um barramento serial, que é conectado como escravo no sistema. O fluxo de entrada é decodificado e passado através de um controle de volume analógico/digital híbrido para um DAC delta-sigma de 18 bits. A decodificação é controlada através do barramento de controle serial. Além da decodificação simples, você pode adicionar aplicativos especiais - efeitos DSP, localizados na RAM do usuário. Para controlar o chip e transmitir o fluxo de dados MP3, são utilizados dois barramentos: SCI (Serial Control Interface) para controle e SDI (Serial Data Interface) para transmissão de dados. A finalidade das linhas desses ônibus é dada na Tabela 1.
VS1001k contém 15 registros SCI (Tabela 2). Após uma redefinição de hardware, todos eles são definidos como 0.
O registro MODE é usado para controlar as operações do VS1001. Os nomes de seus bits, suas funções e descrições são fornecidos na tabela. 3.
O registro STATUS contém informações sobre o estado atual do chip. Os bits 1 e 0 são usados para controlar o nível da saída analógica (0 - 0 dB, 1 = -6 dB, 3 - -12 dB), o bit 2 é usado para desligar a parte analógica do microcircuito ( se seu valor for um, ele desliga). Escrever no registro VOL (veja abaixo) define automaticamente o nível de saída analógica sem que o usuário precise se preocupar com seu status. O registro CLOCKF é usado se a frequência do clock for diferente de 24,576 MHz (e deve ser um múltiplo de 2 kHz). O valor deste registro é calculado pela fórmula CLOCKF = ХТ1/2000 (ХТ1 - frequência do clock em hertz). O registro pode assumir valores de 0 a 32767, mas valores maiores são limitados pela frequência máxima de clock do chip (32 MHz). Definir o bit mais significativo do registro como 1 habilita o duplicador de frequência interno. A frequência do gerador de clock pode ser duplicada até 15 MHz. O registro CLOCKF deve ser definido antes de decodificar os dados MP3, caso contrário não será reproduzido corretamente. A taxa máxima de amostragem de dados de áudio e a velocidade do fluxo de dados MP3 de entrada dependem da frequência do clock. Por exemplo, com uma frequência de gerador de clock de 12,288 MHz, o microcircuito decodifica dados de áudio com uma frequência de amostragem de 24 kHz e uma taxa de fluxo de até 96 kbit/s; a uma frequência de 22,580 MHz - com uma frequência de amostragem de 44,1 kHz e uma taxa de fluxo de até 160 kbit/s; um fluxo variável é processado sem falha a uma velocidade não superior a 256 Kbit/s. Se a frequência do clock for 24,576 MHz, todos os dados de áudio serão decodificados com uma frequência de amostragem de até 48 kHz e uma velocidade de até 192 Kbps; na frequência de 28 MHz, um fluxo com velocidade máxima de até 320 Kbps é decodificado. O registro DECODEJTIME, ao processar o fluxo correto, contém a decodificação do tempo atual em segundos. Os bits 8-0 do registro AUDATA contêm o valor da vazão de dados em kilobits por segundo (se for variável, eles contêm a vazão atual), os bits 12-9 contêm o índice de frequência de amostragem (Tabela 4). Os bits 14 e 13 não são utilizados e são sempre definidos como 0. O bit 15 caracteriza o tipo de dados de áudio (0 - mono, 1 - estéreo).
Usando os registros WRAM WRAMADDR AIADDR, você pode carregar e executar aplicativos escritos pelo usuário no chip, por exemplo, mixar canais, criar efeitos estéreo ao reproduzir um sinal mono, introduzir um equalizador digital. Exemplos de tais aplicações e ferramentas para seu desenvolvimento podem ser encontrados no site do fabricante do chip. Deve-se lembrar, entretanto, que tudo isso aumenta a carga do processador de sinal digital e seu desempenho é limitado. Por exemplo, com uma velocidade de clock de 24,576 MHz e decodificação de um fluxo de dados de 128 Kbps a uma taxa de amostragem de 44,1 kHz, há apenas cerca de 28% de tempo livre do processador. Quando o expansor de resposta de frequência é ligado (pelo bit SM_BASS do registro MODE), um adicional de 6,5% do desempenho do processador de sinal digital é desperdiçado. Os registros HDAT0 e HDAT1 contêm informações sobre o título da música extraído do fluxo de dados MPEG atual. O registro VOL é para controle de volume. Em cada canal, o valor pode variar de 0 a 255 (correspondendo à atenuação do sinal do nível máximo a zero em passos de 0,5 dB). Para o canal esquerdo, o valor é multiplicado por 256 e somado ao valor do canal direito. Assim, para obter o volume máximo, o registro deve conter 0, e silêncio completo - 65535. Após um “reset” de hardware, o volume máximo é definido, um “reset” de software não altera o volume definido. Quando o volume está no mínimo (255 em ambos os canais), a alimentação da parte analógica é desligada, o que é acompanhado por um clique. Você pode excluí-lo se usar o valor máximo de 254 em ambos os canais (0xFEFE) para desligar o som. O dispositivo usa um microcircuito PQ3VZ1 da SHARP como estabilizador de tensão de alimentação de 20 V (DA51). A tensão de saída Uout (dentro de 1,5...20 V em uma corrente de carga de até 0,5 A) é calculada usando a fórmula Uout = Urev(1 + R3/R4), onde R4 = 1 kOhm, e a tensão de referência Urev = 1,25, 3 V. Neste caso, R1,5 = 1,25 kOhm e Uout = 1 (1,5 + 1/3,125) = XNUMX V. Para separar os circuitos de alimentação das partes analógica e digital, são utilizadas bobinas de filtro L1-L3 e capacitores C3-C6. O chip possui uma função liga/desliga integrada, que pode ser usada em uma versão portátil do dispositivo. O software de controle do dispositivo é escrito em C e deve ser compilado e localizado no computador. O autor usou o compilador Borland C. As seguintes funções são usadas para controle, definidas no arquivo vs1001.h: void SCIWrite(int aress, int data) - escreve para SCI; int SCIRead(int aress) - lê SCI; void SDIWrite(int data) - escreve para SDI; void xReset(void) - "reinicialização" do hardware; int DREQ(void) - lê o valor do sinal DREQ. O programa funciona assim:
Se desejar, defina os registros restantes, por exemplo, VOL, MODE, etc. Em seguida, o estado da saída DREQ é verificado pela função DREQQ. Se estiver definido como 0 (a função DREQQ retorna 0), os dados de um arquivo MP3 poderão ser enviados. * A abreviatura MPEG é a abreviatura de Moving Picture Expert Group, o nome do grupo de especialistas ISO (International Organization for Standardization) que trabalha para desenvolver padrões para codificação e compactação de dados de vídeo e áudio. Muitas vezes a sigla MPEG é usada para se referir aos padrões desenvolvidos por este grupo. No caso mais simples, o programa se parece com isso (mp3play.cpp):
Ao reproduzir o próximo arquivo, é necessário realizar um “reset” de software do chip VS1001k (definindo o bit SMRESET do registro SCI MODE para 1). A verificação da funcionalidade do dispositivo começa com a parte analógica do chip DD3. Em todos os pinos UDDA, UDDD. assim como xRESET e TEST0 deve haver uma tensão de cerca de +3 V, e no pino RCAP - aproximadamente +1,3 V. Se neste último for 0 ou UD DA, a parte analógica do VS1001 está com defeito. Quando um “reset” de hardware do decodificador é aplicado ao pino xRESET baixo, o seguinte deve acontecer: após 4096 ciclos de clock após a tensão em xRESET retornar à unidade, um nível baixo deve aparecer no pino DREQ, que deve mudar para alto após 6000 ciclos de clock. Se os níveis de sinal neste pino não mudarem na ordem especificada, o software interno do chip está com defeito. Em seguida, a operação do barramento SCI é verificada. Para fazer isso, escreva o valor máximo do volume no registro VOL e, em seguida, o valor OxFFFF, que desliga a parte analógica do chip VSl001k. Como resultado, um clique deve ser ouvido nos fones de ouvido conectados ao soquete XS2. O seguinte fragmento de programa (scitest.cpp) demonstra isso: a saída produzirá cinco cliques com um período de 0,5 s:
Agora você precisa verificar a leitura dos registros do SCI. Para fazer isso, escreva um valor no registro VOL, por exemplo 12345, e a seguir leia as informações desse registro e compare o resultado. Se o teste for bem sucedido, o display do computador exibirá a mensagem “SCI Read Test Passed”; caso contrário, “SCI Read Error” (sciread.cpp).
A seguir, é verificada a gravação em SDI. É conveniente usar um teste especial embutido no microcircuito que produz um sinal senoidal na saída analógica. Para habilitar o teste é necessário transmitir a sequência de oito bytes 0x53 OxEF Ox6E n 0 0 0 0 via SDI, onde n = 48...119 (selecionado pelo usuário). Os parâmetros do sinal são determinados na tabela. 5, onde o índice de taxa de amostragem Fsldx = (n - 48)mod9, e o índice de número de amostras FSin = (n - 48)/9. Por exemplo, com n = 62 (neste caso n - 48 = 14) Fsldx = 5 e FSin = 1. O valor Fsldx = 5 corresponde a uma frequência de amostragem de 16000 Hz, e o valor FSin = 1-16 amostras. Assim, na saída receberemos um sinal senoidal com frequência de 16000/16 = 1000 Hz.
Para sair do modo de teste, a sequência de bytes 0x45 0x78 0x69 0x74 0 0 0 0 é transmitida via SDI. O seguinte fragmento de programa (sinetest.cpp) demonstra este teste: na saída analógica você pode ouvir um sinal com frequência de 1 kHz por 5 s:
Para verificar a memória do chip VS1001k, é enviada ao SDI a sequência de oito bytes 0x4D OxEA 0x6D 0x54 0 0 0 0. Após este comando, é necessário aguardar 500 ciclos do gerador de clock. O resultado do teste pode ser lido no registro SCI HDAT000. Os dados recebidos são interpretados da seguinte forma: se o bit for definido como 0, o teste de memória foi aprovado (Tabela 1).
Se o teste for bem-sucedido, o display do computador exibirá a mensagem “Teste de memória concluído com sucesso”, caso contrário, “Erro de memória xxxxx”, onde xxxxx é o valor lido do registro HDATO. Aqui está um fragmento do programa de teste de memória (memtest.cpp):
Para testar os registradores SCI, você precisa enviar a sequência de oito bytes 0x53 0x70 0xEE n 0 0 0 0 para o SDI, onde n é o número do registrador para o teste. O conteúdo do registrador especificado é lido e copiado no registrador HDAT0. Caso seja necessário verificar o registro HDAT0, seu valor é copiado para o registro HDAT1. O dispositivo é montado sobre uma placa de circuito impresso feita conforme desenho da Fig. 4. Durante a instalação, pedaços de fio estanhado são inseridos nos orifícios emoldurados por placas de contato de diâmetro mínimo e soldados aos condutores impressos em ambos os lados da placa. Em vez de PQ20VZ51, você pode usar qualquer estabilizador de tensão de microcircuito que permita obter uma saída de 3 V (por exemplo, LM317). Quaisquer bobinas L1-L3 com indutância de 10 μH. Os inversores com saída de coletor aberto DD1.1-DD1.6, DD2.1-DD2.3 podem ser das séries K155, KR531, K555, KR1533. Não é aconselhável substituir o microcircuito VS1001k por dispositivos com outros índices de letras (versões anteriores), pois apresentam uma série de deficiências. Literatura
Autor: V. Kardapolov, aldeia Tbilisskaya, Território de Krasnodar
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