DIY你自己的多功能掌上娛樂終端，附詳細(xì)軟硬件方案設(shè)計

一、項目概述

1.1 引言

1.1.1項目背景

21世紀(jì)信息化時代的到來，大量的消費類電子產(chǎn)品正在改變著人們的生活?？梢噪S時隨地的欣賞音樂、收看電視、閱讀電子書籍、通過藍(lán)牙共享文件等等。目前來看，消費電子已經(jīng)成為全球半導(dǎo)體發(fā)展的主要推動力。近年來隨著微處理器技術(shù)、DSP技術(shù)、多媒體解碼技術(shù)以及單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，掌上娛樂終端已經(jīng)成為消費類電子的熱點。

1.1.2發(fā)展前景

隨著掌上娛樂終端的不斷發(fā)展，它的產(chǎn)品也越來越豐富，功能也越來越完善，囊括了媒體播放、游戲、電子閱讀、資源共享等，并逐步趨于網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，集多功能于一身的掌上娛樂終端以其便于攜帶、支持多媒體播放、文件共享、GUI美觀方便的全方位的優(yōu)點越來越受到人們的喜愛，擁有廣闊的發(fā)展前景。

1.2 選題動機/研究意義

現(xiàn)今階段，電子信息產(chǎn)業(yè)在我國有了快速的發(fā)展，然而相比于西方發(fā)達(dá)國家仍有不小的差距。從目前的市場現(xiàn)狀中，MP3、MP4、PDA等形式的娛樂終端的高端地位一直被國外的企業(yè)所壟斷，例如谷歌、蘋果、三星、索尼等，國內(nèi)企業(yè)和這些龍頭企業(yè)相比差距比較大，所生產(chǎn)的產(chǎn)品難以博得廣大消費者的支持，然而國外的電子產(chǎn)品相比于國內(nèi)產(chǎn)品價格昂貴很多，消費者的消費需求與產(chǎn)品價格的矛盾日益明顯。

另一方面，盡管MP3、MP4等設(shè)備已經(jīng)日益發(fā)展成熟，但大多數(shù)只能實現(xiàn)單一或者少量的功能。例如MP3多數(shù)只能實現(xiàn)音樂播放功能。隨著現(xiàn)代信息化方向的發(fā)展，人們的娛樂需求將會越來越廣泛，單一的娛樂功能將難于滿足人們的娛樂生活。多功能的掌上娛樂終端是一種便攜式的數(shù)碼設(shè)備，集結(jié)了廣大功能于一體，能隨時隨地、全方位的滿足人們的生活娛樂需要，同時又有簡易便攜，GUI人機界面友好等優(yōu)點。選擇多功能掌上娛樂終端為課題，對于改變我國電子信息娛樂產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后現(xiàn)狀，完善消費類數(shù)字化產(chǎn)品，滿足人們的娛樂需求具有重大研究意義。

二、需求分析

2.1 功能要求

2.1.1 概述

本系統(tǒng)基于EVK1105平臺開發(fā)，實現(xiàn)多功能的掌上娛樂嵌入式系統(tǒng)。所謂嵌入式系統(tǒng)，就是利用有限的硬件資源，構(gòu)建一個功能完善的系統(tǒng)。所以，本系統(tǒng)擯棄嵌入式Linux系統(tǒng)，而是基于uC/OS-II實時內(nèi)核，構(gòu)建一個GUI框架，并在uC/OS-II、驅(qū)動層、FAT32文件系統(tǒng)、GUI框架之上構(gòu)建應(yīng)用層程序。在本系統(tǒng)中，GUI框架并不采用uCGUI，MiniGUI等成熟的GUI框架，而是采用自定制的微型GUI框架。因為uCGUI、MiniGUI消耗比較多的內(nèi)存，而且窗口是類PC風(fēng)格，不符合本系統(tǒng)的需求。

應(yīng)用層程序可以分為以下10大應(yīng)用：1.音樂播放2.圖片播放3.電子書閱讀4.FM收音機5.語音錄音

6.游戲7. U盤自動播放8. PC無線觸摸板 9. 電量顯示 10.智能背光調(diào)節(jié)

2.1.2音樂播放

概述：播放MP3等音頻文件。

功能：

1. 播放、暫?？刂?/p>

2. 上一曲、下一曲切換

3. 音量控制

4. 播放模式選擇：正常順序播放、全部循環(huán)、單曲循環(huán)、隨機播放、

5. 播放進度、音量顯示

6. 歌詞同步顯示

7. 顯示歌曲的基本信息：標(biāo)題、專輯、演唱者等信息

2.1.3 圖片播放

概述：支持BMP、JPEG等主流圖片格式。

功能：

1. 圖片目錄瀏覽

2. 圖片瀏覽器

3. 圖片縮放功能

4. 幻燈片播放

5. 設(shè)置幻燈片切換時間間隔

6. 支持圖片分辨率自適應(yīng)屏幕

2.1.4 電子書閱讀

概述：支持TXT格式文本閱讀

功能：

1. 目錄瀏覽

2. 上一頁、下一頁切換

3. 設(shè)置書簽

4. 設(shè)置字體顏色和背景色

5. 自動翻頁

6. 設(shè)置自動翻頁時間間隔

2.1.5 FM收音機

概述：支持FM收聽

功能：

1. 自動搜臺

2. 記憶電臺

2.1.6 語音錄音

功能：

1. 語音錄音、錄音時長取決于存儲介質(zhì)的大小

2. 錄音時間顯示

2.1.7 游戲

功能：俄羅斯方塊、貪吃蛇等小游戲

2.1.8 U盤自動播放

功能：（1）：插入SD卡或者U盤后，可以根據(jù)用戶的選擇來自動播放音樂或者圖片

（2）：音樂、圖片播放默認(rèn)為順序播放

2.1.9 PC無線觸摸板

功能：通過拓展觸摸板，對觸摸板的觸摸來實現(xiàn)無線控制PC的鼠標(biāo)， 達(dá)到控制整個PC的功能。

2.1.10 電量顯示

功能：（1）：精確顯示電池電量，仿真電池顯示，顯示剩余電池電量可以支持的音樂時間、電子閱讀時間、待機時間。

（2）：當(dāng)電量不足時會有窗口提示，提示三次未及時充電或更換電池會自動進入關(guān)機狀態(tài)。

2.1.11智能背光調(diào)節(jié)

功能：（1）：利用傳感器檢測外部光照條件，若是明亮度高則自動降低LCD背光，減少功耗；若是明亮度過低，則自動升高LCD背光，增強視覺效果。

（2）：若超過10秒未操作LCD則屏幕變暗，進入省電模式，減少功耗。

2.2 系統(tǒng)框圖

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

三、方案設(shè)計

3.1系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

3.1.1前提條件：移植uC/OS-II內(nèi)核、建立FAT32文件系統(tǒng)、建立GUI框架、建立系統(tǒng)字庫和文件瀏覽器

因為我們的應(yīng)用都是基于實時系統(tǒng)實現(xiàn)的，所以在建立應(yīng)用之前就應(yīng)該搭建好一個運行的操作系統(tǒng)環(huán)境，并配備好應(yīng)用程序運行所要支持的文件系統(tǒng)、GUI框架、字庫、文件瀏覽器等基本功能模塊。

1. uC/OS-II內(nèi)核是一個基于優(yōu)先級搶占式的，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核、具有效率高、消耗內(nèi)存資源小、反應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)良特點，而且大部分代碼用c實現(xiàn)，便于移植，是一個適合于小型嵌入式系統(tǒng)的實時內(nèi)核。對于本系統(tǒng)的移植，只要修改幾處關(guān)鍵代碼就行了。

2. FAT32文件系統(tǒng)是目前最為流行的文件系統(tǒng)之一，幾乎所的便捷存儲設(shè)備，如U盤，SD卡、microSD卡、miniSD卡都是基于FAT32文件系統(tǒng)；而且在嵌入式產(chǎn)品中，如數(shù)碼相機、MP3、MP4、數(shù)碼相框等產(chǎn)品中，也是基于FAT32文件系統(tǒng)的。所以為了最大的兼容性和普遍性，我們也采用了FAT32文件系統(tǒng)來作為我們的文件系統(tǒng)。對于FAT32文件系統(tǒng)的構(gòu)建，本系統(tǒng)采用了開源的FatFs的FAT32文件系統(tǒng)驅(qū)動庫。文件系統(tǒng)建立成功之后，就可以方便地對SD卡、U盤里面的文件進行操作。

3. GUI框架為自主開發(fā)，是基于消息循環(huán)事件驅(qū)動型的GUI框架。下面有圖表詳細(xì)說明。

4. 系統(tǒng)字庫是一個嵌入式系統(tǒng)的核心之一，所有的文字信息都要經(jīng)過它的處理才能顯示出來。這里我們采用了內(nèi)建字庫的技術(shù)，即把字庫文件（包括中文字庫和英文字庫）燒寫在Flash里面。其中對文字的顯示首先要進行內(nèi)碼轉(zhuǎn)換，取得在字庫里面的偏移，然后把字模提取出來并顯示在LCD上。

5. 文件瀏覽器是一個基于GUI框架、文件系統(tǒng)和字庫的應(yīng)用程序，它通過讀取存儲介質(zhì)的文件，并把文件信息形成列表在LCD顯示出來，用戶可以通過選擇鍵來選擇要查看的文件。以下所引用到的目錄文件瀏覽就是基于文件瀏覽器的。

3.1.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件模塊

PC遙控接收端硬件模塊

3.1.3 音樂播放

1. 首先搜索SD卡、或者U盤里面所有音頻文件，然后創(chuàng)建一個音樂播放列表

2. 讀取播放列表中的音頻文件，并通過GUI的API調(diào)用顯示在LCD上，用戶可以選擇喜歡的歌曲

3. 選定歌曲后，按PLAY鍵開始播放音樂，播放由一個獨立的線程來處理，讀取音頻文件的數(shù)據(jù)，通過軟件解碼將解碼后的數(shù)據(jù)流送到DAC，并通過音頻功放輸出音頻。播放中的控制信息、信息反饋、播放進度和狀態(tài)顯示都通過消息來觸發(fā)。

4. 當(dāng)一首歌播放完后，根據(jù)當(dāng)前的播放模式，用獲取下一首歌曲，然后進行下一曲的解碼流程。

3.1.4 圖片播放

1. 目錄文件瀏覽：通過讀取SD卡、或者U盤的圖片文件，把相應(yīng)的文件名字及其它基本信息形成一個列表在LCD上顯示出來。通過選擇圖片并通過相應(yīng)格式的文件解碼并在LCD顯示出來。

2. 可以選擇上一張、下一張來顯示圖片，并可以進行縮放。其中縮放的功能，我們采用frame buffer的技術(shù)。我們在內(nèi)存中創(chuàng)建一個比屏幕分辨率大的顯存緩沖區(qū)域，并通過對顯存緩沖區(qū)域的局部顯示就可以實現(xiàn)圖片的放大功能；對于圖片縮小的功能，我們可以采用對顯存緩沖區(qū)的減取樣算法顯示就可以實現(xiàn)圖片的縮小。

3. 幻燈片播放：通過讀取SD卡、或者U盤的圖片文件，形成一個文件列表，然后按照播放模式來自動播放圖片，相當(dāng)于數(shù)碼相框。

4. 圖片播放流程：

3.1.5 電子書閱讀

1. 目錄文件瀏覽：通過讀取SD卡或者U盤里面的TXT文本文件，把文件及其基本信息形成一個列表在LCD顯示出來。

2. 電子書閱讀流程：

3.1.6 FM收音機

1. FM收音機模塊采用Philips的FM收音芯片TEA5767HN。它是一款低功耗立體聲的FM收音芯片，具有高靈敏度、支持兩個頻段87.5MHz-108MHz和76MHz-91MHz，RF AGC自動增益控制， 內(nèi)部集成FM解調(diào)器，I2C總線3線總線模塊可選擇等優(yōu)良特點。

2. 首先初始化TEA5767HN芯片，然后通過可以通過自動搜臺找到頻道收聽節(jié)目。

3. LCD顯示界面有當(dāng)前頻道的頻率、音量等信息

4.可以收藏頻道，方便下次收聽。

5. M收音機工作流程：

1. 語音錄音

2. 系統(tǒng)采用的是PCM編碼和解碼系統(tǒng)實現(xiàn)功能。Pcm是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化。編碼的過程a.對錄音輸入的模擬信號先抽樣。抽樣，就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后包含原信號中所有信息，能無失真的恢復(fù)原模擬信號。抽樣速率采用8Kbit/s。b.量化，就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。 c. 編碼，用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值

3. 通過按鍵1，開始錄音，按鍵2，結(jié)束錄音并播放所錄的語音。播放結(jié)束后，可以繼續(xù)錄入下一段語音。流程圖如下：

1. 游戲

1、菜單提示選擇貪吃蛇或者俄羅斯方塊游戲。

2、貪吃蛇：上下左右方向鍵控制貪吃蛇游動，不要撞到墻、不要碰到自己身體，身體長到25段過關(guān)。每過一關(guān)貪吃蛇的移動速度加快，難度增加。貪吃蛇撞到墻或者自己時，出現(xiàn)死亡，顯示成績并提示是否繼續(xù)游戲。

3、俄羅斯方塊：預(yù)先設(shè)置的隨機發(fā)生器不斷地輸出單個方塊到場地頂部，以一定的規(guī)則進行移動、旋轉(zhuǎn)、下落和擺放，鎖定并填充到場地中

鍵盤 [ 左、右 ] 用來控制落下磚塊的左右移動

鍵盤 [ 下 ] 用來控制磚塊加速下落

鍵盤 [ 上 ] 用來控制磚塊變形

鍵盤 [中] 用來控制磚塊直接落到底

每次擺放如果將場地的一行或多行完全填滿，則組成這些行的所有小正方形將被消除，并且以此來換取一定的積分或者其他形式的獎勵。而未被消除的方塊會一直累積，并對后來的方塊擺放造成各種影響。如果未被消除的方塊堆放的高度超過場地所規(guī)定的最大高度則出現(xiàn)死亡，顯示成績并提示是否繼續(xù)游戲。。

4、游戲流程圖如下：

3.1.9 U盤自動播放

利用USB控制器的OTG的功能，結(jié)合FAT32文件系統(tǒng)來實現(xiàn)對U盤的操作。

1. 當(dāng)插入U盤后，根據(jù)用戶的選擇來自動播放圖片或者音樂。

2. U盤自動播放流程圖：

3.1.10 PC無線觸摸板

1. 系統(tǒng)外部拓展一塊電阻式觸摸板和2.4G發(fā)送模塊，PC端通過USB接口連上2.4G接收模塊，可以通過觸摸板來控制PC上的鼠標(biāo)，實現(xiàn)無線觸摸板的功能。方便控制電腦。

2. 工作流程：

3.1.11 電量顯示

原理：通過測量流入流出電池的凈電荷來估算電池剩余的容量。對流入流出的電池的總量電流進行積分，得到的凈電荷即為剩余容量。電池容量可以預(yù)置，也可惜在后續(xù)的完整充電周期中進行學(xué)習(xí)。在補償電池自放電、不同溫度下的容量變化等因素后，也可以獲得比較高的精度。

電路如下：

其中Rsns為mΩ級檢流電阻，RL為負(fù)載電阻，電池通過開關(guān)、Rsns對RL放電時的電流Io在Rsns兩端產(chǎn)生的壓降為Vs(t)=Io(t)*Rsns。電量計持續(xù)檢測Rsns兩端的壓差Vs，并將其通過ADC 轉(zhuǎn)化為N位的數(shù)字量Current，之后以時基確定的速率進行累加，M位累加結(jié)果Accumulated_Current的單位為Vh。

3.1.12 智能背光調(diào)節(jié)

原理：通過光敏傳感器來感知外部光線的強度，然后通過PWM來調(diào)節(jié)LCD顯示的背光。如果環(huán)境的光線比較強，則減少PWM的占空比來減小LCD的背光，以達(dá)到不必要的電池電量浪費。如果環(huán)境的光線比較暗，則通過增加PWM的占空比來增大LCD的背。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用：

本系統(tǒng)采用EVK1105開發(fā)平臺，結(jié)合本平臺的特點，我們充分利用了平臺的LCD顯示器、高保真音頻DAC、麥克風(fēng)、SD卡接口、USB控制器等器件，主要開發(fā)多媒體方面的應(yīng)用。

資源配置：

SD卡：SPI接口

U盤：USB接口

麥克風(fēng)：ADC TLV320AIC23B

音頻輸出：DAC TPA6130A2RT

LCD：LCD控制和數(shù)據(jù)總線

FM模塊：I2C接口

按鍵：觸摸傳感器QT1081

數(shù)據(jù)存儲器：SDRAM MT48LC16M16A2

外部存儲器：Flash AT45DB642D-CNU

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

所有的應(yīng)用程序都基于GUI框架開發(fā)，只要框架建立完成，就可以快速創(chuàng)建頂層應(yīng)用程序。

基于消息循環(huán)的事件驅(qū)動型GUI框架模型：

3.4 系統(tǒng)軟件流程

1. GUI框架消息循環(huán)流程：

消息循環(huán)流程圖

2. 系統(tǒng)流程圖：

程序運行流程圖