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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK MP3-Player – Set-Top-Box für PC. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Wir machen die Leser auf einen MP3-Player aufmerksam – ein Gerät, bei dem es sich um einen MP3-Decoder handelt, der an einen Parallelanschluss (LPT) eines Computers angeschlossen ist. Es kann in einem stationären Musikcenter oder in einem Auto verwendet werden (wenn es zur Steuerung und Speicherung von Informationen auf einem Computer jeglicher Art oder einem Gerät auf einem Mikrocontroller verwendet wird), um die Funktionalität „langsamer“ Computer usw. zu erweitern. MP3, MPEG-1* Layer 3, MPEG Audio sind die Namen der Komprimierungstechnik für einen digitalisierten Audiostream oder eine digitalisierte Audiodatei. Das grundlegende Merkmal der MPEG-Kodierung ist die verlustbehaftete Komprimierung. Nach dem Packen und Entpacken einer Audiodatei im MP3-Verfahren ist das Ergebnis nicht identisch mit dem Original „Stück für Stück“. Im Gegenteil werden durch die Verpackung gezielt nicht-essentielle Komponenten aus dem verpackten Signal ausgeschlossen, was zu einer extremen Erhöhung des Komprimierungsverhältnisses führt. Abhängig von der erforderlichen Klangqualität kann das MP3-Verfahren ein digitales Audiosignal zehnmal oder mehr komprimieren. Dadurch belegen die Musikkompositionen einer Audio-CD in komprimierter Form mit akzeptabler Klangqualität nur 60...70 MB. Heute erfreut sich dieses Format immer größerer Beliebtheit. Dutzende Geräte verschiedener Unternehmen werden in Massenproduktion mit unterschiedlichen Speichermedien hergestellt: Speicherkarten, CDs, Festplatten. Es gibt viele Amateurgeräte, deren Beschreibungen beispielsweise im Internet zu finden sind [1] – von Computern mit Software-Datendekodierung bis hin zu Geräten mit Hardware-Dekodierung und der Möglichkeit, mit mehreren verschiedenen Speichermedien gleichzeitig zu arbeiten. Allerdings schneidet die Verwendung eines MP3-Players zusammen mit einem Laptop-Computer auch mit einem leistungsschwachen Prozessor (286, 386, 486), der gegen eine geringe Gebühr auf dem Radiomarkt erhältlich ist, im Vergleich zu allen anderen Geräten gut ab. Erstens, was den Preis betrifft – die Kosten für einen Mikrocontroller, ein LCD-Display und andere Teile sind höher als für einen alten Laptop. Zweitens in Bezug auf die Funktionalität – ein hochauflösender Bildschirm mit Graustufen (oder sogar Farbe), ein großer Satz an Steuertasten, die Möglichkeit, den Computer gleichzeitig für andere Zwecke zu verwenden (z. B. als Uhr, zur Steuerung verschiedener Geräte) . Drittens im Hinblick auf die Flexibilität: Die Software ist in einer höheren Programmiersprache geschrieben und kann einfach und schnell geändert werden, ohne dass ein Programmierer den Computer selbst verwenden muss Das Blockschaltbild eines MP3-Players ist in Abb. dargestellt. 1. Wie Sie sehen können, wird es an den Parallelport des Computers angeschlossen und besteht aus einem Signalpegelwandler U1, einem Hardware-MP3-Decoder U2 und einem Netzteil A1.
Der Flaschenhals des Geräts ist die geringe Bandbreite des parallelen Ports des Computers. Beim Test auf einem Computer mit SPP-Port (Standard Parallel Port) auf Basis eines Intel 486DX-33-Prozessors betrug der maximale Datenfluss, mit dem Musikkompositionen ruckelfrei abgespielt wurden, 128 Kbit/s. Auf einem Computer mit einem Parallelport EPP (Enhanced Parallel Port), wo die Austauschgeschwindigkeit 0,5...2 MB/s erreicht (die Austauschgeschwindigkeit mit dem Gerät ist viel niedriger, da der Datenaustausch nur entlang einer der Signalleitungen erfolgt, und Da das Daten-Gating per Software erfolgt, werden normalerweise Streams mit 192 KBit/s und höher wiedergegeben. Wenn Sie das Gerät mit einem Computer verbinden möchten, können Sie mit einer geringfügigen Änderung der Software die in [2] beschriebene Schnittstelle zum Anschluss an den ISA-Bus verwenden. Allerdings wird in diesem Fall der Einsatzbereich des Geräts eingeschränkt – es kann nur an Desktop-Computer angeschlossen werden, da Laptops in der Regel nicht über einen solchen Bus verfügen. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. dargestellt. 2. Der logische Pegelwandler ist auf NICHT-Elementen mit offenem Kollektor (Chips DD1, DD2) implementiert und wandelt TTL-Pegel in logische Pegel mit einem hohen Pegel von 3 V um und umgekehrt.
Der DD3-Chip (VS1001k der finnischen Firma VLSI Oy) ist ein digitaler Signalprozessor (Digital Signal Processor – DSP) zur Hardware-Dekodierung von MPEG Layer 1, 2 und 3 [3, 4]. Sein Blockdiagramm ist in Abb. dargestellt. 3. Der Chip enthält einen leistungsstarken DSP-Kern mit geringem Stromverbrauch (VS_DSP), Arbeitsspeicher, Programm-RAM (4 KB) und Daten-RAM (0,5 KB) für Benutzeranwendungen, serielle Steuerung und Datenschnittstellen, einen hochwertigen DAC und ein 3H-Verstärker für Kopfhörer.
Der VS1001k empfängt Eingangsdaten über einen seriellen Bus, der als Slave im System angeschlossen ist. Der Eingangsstrom wird dekodiert und über einen hybriden analogen/digitalen Lautstärkeregler an einen 18-Bit-Delta-Sigma-DAC weitergeleitet. Die Dekodierung wird über den seriellen Steuerbus gesteuert. Neben der einfachen Dekodierung können Sie spezielle Anwendungen hinzufügen – DSP-Effekte, die sich im RAM des Benutzers befinden. Zur Steuerung des Chips und zur Übertragung des MP3-Datenstroms werden zwei Busse verwendet: SCI (Serial Control Interface) zur Steuerung und SDI (Serial Data Interface) zur Datenübertragung. Der Zweck der Linien dieser Busse ist in Tabelle 1 angegeben.
VS1001k enthält 15 SCI-Register (Tabelle 2). Nach einem Hardware-Reset werden sie alle auf 0 gesetzt.
Das MODE-Register wird zur Steuerung der Operationen des VS1001 verwendet. Die Namen seiner Bits, ihre Funktionen und Beschreibungen sind in der Tabelle aufgeführt. 3.
Das STATUS-Register enthält Informationen über den aktuellen Zustand des Chips. Bits 1 und 0 werden verwendet, um den Pegel des analogen Ausgangs zu steuern (0 - 0 dB, 1 = -6 dB, 3 - -12 dB), Bit 2 wird verwendet, um die Stromversorgung des analogen Teils der Mikroschaltung auszuschalten ( wenn der Wert eins ist, wird es ausgeschaltet. Durch das Schreiben in das VOL-Register (siehe unten) wird der analoge Ausgangspegel automatisch eingestellt, ohne dass sich der Benutzer um seinen Status kümmern muss. Das CLOCKF-Register wird verwendet, wenn die Taktfrequenz nicht 24,576 MHz beträgt (und sie muss ein Vielfaches von 2 kHz sein). Der Wert dieses Registers wird nach der Formel CLOCKF = ХТ1/2000 (ХТ1 – Taktfrequenz in Hertz) berechnet. Das Register kann Werte von 0 bis 32767 annehmen, größere Werte sind jedoch durch die maximale Taktfrequenz des Chips (32 MHz) begrenzt. Wenn Sie das höchstwertige Bit des Registers auf 1 setzen, wird der interne Frequenzverdoppler aktiviert. Die Taktgeneratorfrequenz kann auf bis zu 15 MHz verdoppelt werden. Das CLOCKF-Register muss vor dem Dekodieren von MP3-Daten gesetzt werden, da sonst die Wiedergabe nicht korrekt erfolgt. Die maximale Abtastrate der Audiodaten und die Geschwindigkeit des eingegebenen MP3-Datenstroms hängen von der Taktfrequenz ab. Beispielsweise dekodiert die Mikroschaltung bei einer Taktgeneratorfrequenz von 12,288 MHz Audiodaten mit einer Abtastfrequenz von 24 kHz und einer Flussrate von bis zu 96 kbit/s; bei einer Frequenz von 22,580 MHz – mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz und eine Flussrate von bis zu 160 kbit/s; ein variabler Strom wird ohne Fehler verarbeitet, die Geschwindigkeit beträgt nicht mehr als 256 kbit/s. Bei einer Taktfrequenz von 24,576 MHz werden alle Audiodaten mit einer Abtastfrequenz von bis zu 48 kHz und einer Geschwindigkeit von bis zu 192 Kbit/s dekodiert; bei einer Frequenz von 28 MHz ist ein Stream mit einer maximalen Geschwindigkeit von bis zu 320 Kbit/s möglich dekodiert. Das DECODEJTIME-Register enthält bei Verarbeitung des richtigen Streams die aktuelle Zeitdekodierung in Sekunden. Die Bits 8-0 des AUDATA-Registers enthalten den Wert der Datenflussrate in Kilobit pro Sekunde (wenn sie variabel ist, enthalten sie die aktuelle Flussrate), die Bits 12-9 enthalten den Abtastfrequenzindex (Tabelle 4). Die Bits 14 und 13 werden nicht verwendet und sind immer auf 0 gesetzt. Bit 15 charakterisiert die Art der Audiodaten (0 – Mono, 1 – Stereo).
Mit den WRAM WRAMADDR AIADDR-Registern können Sie vom Benutzer geschriebene Anwendungen auf den Chip laden und ausführen, z. B. Kanäle mischen, Stereoeffekte beim Abspielen eines Monosignals erzeugen und einen digitalen Equalizer einführen. Beispiele für solche Anwendungen und Tools für deren Entwicklung finden Sie auf der Website des Chipherstellers. Es ist jedoch zu bedenken, dass all dies die Belastung des digitalen Signalprozessors erhöht und seine Leistung begrenzt ist. Beispielsweise stehen bei einer Taktrate von 24,576 MHz und der Dekodierung eines 128-Kbit/s-Datenstroms bei einer Abtastrate von 44,1 kHz nur etwa 28 % freie Prozessorzeit zur Verfügung. Wenn der Frequenzgang-Expander eingeschaltet ist (durch das SM_BASS-Bit des MODE-Registers), werden zusätzlich 6,5 % der Leistung des digitalen Signalprozessors verschwendet. Die Register HDAT0 und HDAT1 enthalten Informationen über den aus dem aktuellen MPEG-Datenstrom extrahierten Musiktitel. Das VOL-Register dient der Lautstärkeregelung. In jedem Kanal kann der Wert zwischen 0 und 255 variieren (entspricht der Signaldämpfung vom Maximalpegel auf Null in 0,5-dB-Schritten). Für den linken Kanal wird der Wert mit 256 multipliziert und zum Wert des rechten Kanals addiert. Um die maximale Lautstärke zu erreichen, muss das Register also 0 und vollständige Stille 65535 enthalten. Nach einem Hardware-„Reset“ ist die maximale Lautstärke eingestellt; ein Software-„Reset“ ändert die eingestellte Lautstärke nicht. Wenn die Lautstärke auf das Minimum eingestellt ist (255 in beiden Kanälen), wird der Strom zum analogen Teil ausgeschaltet, was von einem Klicken begleitet wird. Sie können es ausschließen, indem Sie in beiden Kanälen den Maximalwert von 254 (0xFEFE) verwenden, um den Ton auszuschalten. Das Gerät verwendet eine PQ3VZ1-Mikroschaltung von SHARP als 20-V-Versorgungsspannungsstabilisator (DA51). Die Ausgangsspannung Uout (im Bereich von 1,5...20 V bei einem Laststrom von bis zu 0,5 A) wird nach der Formel Uout = Urev(1 + R3/R4) berechnet, wobei R4 = 1 kOhm und die Referenzspannung Urev = ist 1,25, 3 V. In diesem Fall ist R1,5 = 1,25 kOhm und Uout = 1 (1,5 + 1/3,125) = XNUMX V. Zur Trennung der Stromversorgungskreise des analogen und digitalen Teils werden Filterdrosseln L1-L3 und Kondensatoren C3-C6 verwendet. Der Chip verfügt über eine integrierte Ein-/Ausschaltfunktion, die in einer tragbaren Version des Geräts verwendet werden kann. Die Software zur Steuerung des Geräts ist in C geschrieben und muss kompiliert und auf dem Computer abgelegt werden. Der Autor verwendete den Borland C-Compiler. Zur Steuerung dienen folgende Funktionen, die in der Datei vs1001.h definiert sind: void SCIWrite (int aress, int data) – in SCI schreiben; int SCIRead(int aress) - SCI lesen; void SDIWrite(int data) – in SDI schreiben; void xReset(void) - Hardware-"Zurücksetzen"; int DREQ(void) – liest den Wert des DREQ-Signals. Das Programm funktioniert so:
Stellen Sie bei Bedarf die restlichen Register ein, zum Beispiel VOL, MODE usw. Anschließend wird der Zustand des DREQ-Ausgangs von der DREQQ-Funktion überprüft. Wenn es auf 0 gesetzt ist (die DREQQ-Funktion gibt 0 zurück), können Daten aus einer MP3-Datei gesendet werden. * Die Abkürzung MPEG ist die Abkürzung für Moving Picture Expert Group, der Name der Expertengruppe der ISO (International Organization for Standardization), die an der Entwicklung von Standards für die Kodierung und Komprimierung von Video- und Audiodaten arbeitet. Für die von dieser Gruppe entwickelten Standards wird häufig das Akronym MPEG verwendet. Im einfachsten Fall sieht das Programm so aus (mp3play.cpp):
Beim Abspielen der nächsten Datei muss ein Software-„Reset“ des VS1001k-Chips durchgeführt werden (indem das SMRESET-Bit des SCI MODE-Registers auf 1 gesetzt wird). Die Überprüfung der Funktionalität des Geräts beginnt mit dem analogen Teil des DD3-Chips. An allen Pins UDDA, UDDD. sowie xRESET und TEST0 sollte eine Spannung von ca. +3 V und am RCAP-Pin ca. +1,3 V anliegen. Wenn an letzterem 0 oder UD DA steht, ist der analoge Teil von VS1001 fehlerhaft. Wenn ein Hardware-„Reset“ des Decoders auf den Low-Pegel des xRESET-Pins angewendet wird, sollte Folgendes passieren: Nach 4096 Taktzyklen, nachdem die Spannung an xRESET auf Eins zurückgekehrt ist, sollte am DREQ-Pin ein Low-Pegel erscheinen, der auf High wechseln sollte nach 6000 Taktzyklen. Ändern sich die Signalpegel an diesem Pin nicht in der angegebenen Reihenfolge, ist die interne Software des Chips fehlerhaft. Anschließend wird die Funktion des SCI-Busses überprüft. Schreiben Sie dazu den maximalen Lautstärkewert in das VOL-Register und dann den OxFFFF-Wert, der den analogen Teil des VSl001k-Chips ausschaltet. Als Ergebnis sollte ein Klicken von Kopfhörern zu hören sein, die an die XS2-Buchse angeschlossen sind. Das folgende Programmfragment (scitest.cpp) demonstriert dies: Die Ausgabe erzeugt fünf Klicks mit einer Periode von 0,5 s:
Jetzt müssen Sie das Lesen der SCI-Register überprüfen. Schreiben Sie dazu einen Wert in das VOL-Register, zum Beispiel 12345, lesen Sie dann Informationen aus diesem Register und vergleichen Sie das Ergebnis. Wenn der Test erfolgreich ist, zeigt das Computerdisplay die Meldung „SCI Read Test Passed“ an; andernfalls „SCI Read Error“ (sciread.cpp).
Als nächstes wird die Aufzeichnung in SDI überprüft. Es ist praktisch, einen speziellen Test zu verwenden, der in die Mikroschaltung integriert ist und am Analogausgang ein Sinussignal erzeugt. Um den Test zu ermöglichen, ist es notwendig, die Acht-Byte-Sequenz 0x53 OxEF Ox6E n 0 0 0 0 über SDI zu übertragen, wobei n = 48... 119 (vom Benutzer ausgewählt) ist. Die Signalparameter werden aus der Tabelle ermittelt. 5, wobei der Abtastratenindex Fsldx = (n – 48)mod9 und der Anzahl der Abtastwerte Index FSin = (n – 48)/9 ist. Zum Beispiel mit n = 62 (in diesem Fall n - 48 = 14) Fsldx = 5 und FSin = 1. Der Wert Fsldx = 5 entspricht einer Abtastfrequenz von 16000 Hz und der Wert FSin = 1-16 Abtastungen. Somit erhalten wir am Ausgang ein Sinussignal mit einer Frequenz von 16000/16 = 1000 Hz.
Um den Testmodus zu verlassen, wird die Bytefolge 0x45 0x78 0x69 0x74 0 0 0 0 per SDI übertragen. Der folgende Programmausschnitt (sinetest.cpp) demonstriert diesen Test: Am analogen Ausgang kann man 1 s lang ein Signal mit einer Frequenz von 5 kHz hören:
Um den Speicher des VS1001k-Chips zu überprüfen, wird die Acht-Byte-Sequenz 0x4D OxEA 0x6D 0x54 0 0 0 0 an SDI gesendet. Nach diesem Befehl müssen Sie 500 Taktgeneratorzyklen warten. Das Testergebnis kann aus dem SCI-Register HDAT000 gelesen werden. Die empfangenen Daten werden wie folgt interpretiert: Wenn das Bit auf 0 gesetzt ist, ist der Speichertest bestanden (Tabelle 1).
Wenn der Test erfolgreich ist, zeigt das Computerdisplay die Meldung „Speichertest erfolgreich abgeschlossen“ an, andernfalls „Speicherfehler xxxxx“, wobei xxxxx der aus dem HDATO-Register gelesene Wert ist. Hier ist ein Fragment des Speichertestprogramms (memtest.cpp):
Um die SCI-Register zu testen, müssen Sie die Acht-Byte-Sequenz 0x53 0x70 0xEE n 0 0 0 0 an den SDI senden, wobei n die Registernummer für den Test ist. Der Inhalt des angegebenen Registers wird gelesen und in das HDAT0-Register kopiert. Wenn eine Überprüfung des HDAT0-Registers erforderlich ist, wird sein Wert in das HDAT1-Register kopiert. Das Gerät ist auf einer Leiterplatte montiert, die gemäß der Zeichnung in Abb. hergestellt wurde. 4. Bei der Installation werden verzinnte Drahtstücke in die von Kontaktpads mit minimalem Durchmesser umrahmten Löcher eingeführt und auf beiden Seiten der Platine mit den Leiterbahnen verlötet. Anstelle von PQ20VZ51 können Sie jeden Mikroschaltungs-Spannungsstabilisator verwenden, der einen 3-V-Ausgang ermöglicht (z. B. LM317). Beliebige Drosseln L1-L3 mit einer Induktivität von 10 μH. Wechselrichter mit Open-Collector-Ausgang DD1.1-DD1.6, DD2.1-DD2.3 können der Serie K155, KR531, K555, KR1533 angehören. Es ist nicht ratsam, die VS1001k-Mikroschaltung durch Geräte mit anderen Buchstabenindizes (frühere Versionen) zu ersetzen, da diese eine Reihe von Mängeln aufweisen. Literatur
Autor: V. Kardapolov, Dorf Tbilisskaya, Region Krasnodar
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