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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Lettore MP3 - set-top box per PC. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры Portiamo all'attenzione dei lettori un lettore MP3, un dispositivo che è un decoder MP3 collegato a una porta parallela (LPT) di un computer. Può essere utilizzato in un centro musicale fisso o in un'auto (se utilizzato per controllare e archiviare informazioni su un computer di qualsiasi tipo o dispositivo su un microcontrollore), per espandere la funzionalità dei computer "lenti", ecc. MP3, MPEG-1* Layer 3, MPEG Audio sono i nomi della tecnica di compressione per un flusso o file audio digitalizzato. La caratteristica fondamentale della codifica MPEG è la compressione con perdita. Dopo aver compresso e decompresso un file audio utilizzando il metodo MP3, il risultato non è identico all'originale “bit per bit”. Al contrario, il confezionamento esclude intenzionalmente componenti non essenziali dal segnale impacchettato, il che porta ad un aumento estremo del rapporto di compressione. A seconda della qualità del suono richiesta, il metodo MP3 può comprimere un segnale audio digitale dieci volte o più. Grazie a ciò, le composizioni musicali di un CD audio in forma compressa con una qualità del suono accettabile occupano solo 60...70 MB. Oggi questo formato sta diventando sempre più popolare. Decine di dispositivi di diverse aziende vengono prodotti in serie utilizzando i più diversi supporti di memorizzazione: schede di memoria, CD, dischi rigidi. Esistono molti dispositivi amatoriali, le cui descrizioni possono essere trovate, ad esempio, su Internet [1], dai computer con decodifica dati software ai dispositivi con decodifica hardware e la capacità di lavorare contemporaneamente con diversi supporti di memorizzazione. Tuttavia, l'utilizzo di un lettore MP3 insieme a un computer di tipo portatile, anche con un processore poco potente (286, 386, 486), che può essere acquistato per un piccolo prezzo sul mercato delle radio, si confronta favorevolmente con tutti gli altri dispositivi. Innanzitutto, in termini di prezzo: il costo di un microcontrollore, display LCD e altre parti è superiore a quello di un vecchio laptop. In secondo luogo, in termini di funzionalità: uno schermo ad alta risoluzione con scala di grigi (o anche a colori), un ampio set di tasti di controllo, la possibilità di utilizzare contemporaneamente il computer per altri scopi (ad esempio, come orologio, per controllare vari dispositivi) . In terzo luogo, in termini di flessibilità: il software è scritto in un linguaggio di programmazione di alto livello e può essere modificato facilmente e rapidamente senza l'utilizzo di un programmatore utilizzando il computer stesso Lo schema a blocchi di un lettore MP3 è mostrato in Fig. 1. Come puoi vedere, si collega alla porta parallela del computer ed è composto da un convertitore di livello del segnale U1, un decoder MP3 hardware U2 e un alimentatore A1.
Il collo di bottiglia del dispositivo è la larghezza di banda ridotta della porta parallela del computer. Testandolo su un computer dotato di porta SPP (Standard Parallel Port) basato su un processore Intel 486DX-33, il flusso di dati massimo con cui le composizioni musicali venivano riprodotte senza balbettii era di 128 Kbps. Su un computer dotato di porta parallela EPP (porta parallela avanzata), dove la velocità di scambio raggiunge 0,5...2 MB/s (la velocità di scambio con il dispositivo è molto inferiore, poiché lo scambio di dati avviene solo lungo una delle linee di segnale, e il data gating viene eseguito dal software) vengono normalmente riprodotti flussi di 192 Kbps e superiori. Volendo, per interfacciare il dispositivo con un computer, è possibile utilizzare l'interfaccia per il collegamento al bus ISA, descritta in [2], con una leggera modifica del software. Tuttavia, in questo caso, l'ambito di applicazione del dispositivo sarà ristretto: può essere collegato solo a computer desktop, poiché i laptop di solito non dispongono di tale bus. Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in Fig. 2. Il convertitore di livello logico è implementato su elementi NOT con collettore aperto (chip DD1, DD2) e trasforma i livelli TTL in livelli logici con un livello alto di 3 V e viceversa.
Il chip DD3 (VS1001k dell'azienda finlandese VLSI Oy) è un processore di segnale digitale (Digital Signal Processor - DSP) per la decodifica hardware dei livelli MPEG 1, 2 e 3 [3, 4]. Il suo schema a blocchi è mostrato in Fig. 3. Il chip contiene un core DSP ad alte prestazioni con basso consumo energetico (VS_DSP), memoria di lavoro, RAM di programma (4 KB) e RAM dati (0,5 KB) per applicazioni utente, controllo seriale e interfacce dati, un DAC di alta qualità e un amplificatore 3H per le cuffie.
Il VS1001k riceve i dati di ingresso tramite un bus seriale, che è collegato come slave nel sistema. Il flusso di ingresso viene decodificato e passato attraverso un controllo del volume ibrido analogico/digitale a un DAC delta-sigma a 18 bit. La decodifica è controllata tramite il bus di controllo seriale. Oltre alla semplice decodifica, puoi aggiungere applicazioni speciali: effetti DSP, che si trovano nella RAM dell'utente. Per controllare il chip e trasmettere il flusso di dati MP3 vengono utilizzati due bus: SCI (Serial Control Interface) per il controllo e SDI (Serial Data Interface) per la trasmissione dei dati. Lo scopo delle linee di questi autobus è riportato nella Tabella 1.
VS1001k contiene 15 registri SCI (Tabella 2). Dopo un reset hardware sono tutti impostati su 0.
Il registro MODE viene utilizzato per controllare le operazioni del VS1001. I nomi dei suoi bit, le loro funzioni e le descrizioni sono riportati nella tabella. 3.
Il registro STATUS contiene informazioni sullo stato attuale del chip. I bit 1 e 0 vengono utilizzati per controllare il livello dell'uscita analogica (0 - 0 dB, 1 = -6 dB, 3 - -12 dB), il bit 2 viene utilizzato per spegnere l'alimentazione alla parte analogica del microcircuito ( se vale uno si spegne). La scrittura nel registro VOL (vedi sotto) imposta automaticamente il livello di uscita analogica senza che l'utente debba preoccuparsi del suo stato. Il registro CLOCKF viene utilizzato se la frequenza di clock è diversa da 24,576 MHz (e deve essere un multiplo di 2 kHz). Il valore di questo registro viene calcolato utilizzando la formula CLOCKF = ХТ1/2000 (ХТ1 - frequenza dell'orologio in hertz). Il registro può assumere valori da 0 a 32767, ma valori maggiori sono limitati dalla frequenza di clock massima del chip (32 MHz). Impostando il bit più significativo del registro su 1 si attiva il duplicatore di frequenza interno. La frequenza del generatore di clock può essere raddoppiata fino a 15 MHz. Il registro CLOCKF deve essere impostato prima di decodificare i dati MP3, altrimenti non verrà riprodotto correttamente. La frequenza di campionamento massima dei dati audio e la velocità del flusso di dati MP3 in ingresso dipendono dalla frequenza dell'orologio. Ad esempio, con una frequenza del generatore di clock di 12,288 MHz, il microcircuito decodifica i dati audio con una frequenza di campionamento di 24 kHz e una velocità di flusso fino a 96 kbit/s; a una frequenza di 22,580 MHz - con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz e una velocità di flusso fino a 160 kbit/s; un flusso variabile viene elaborato senza interruzioni con una velocità non superiore a 256 Kbit/s. Se la frequenza di clock è 24,576 MHz, tutti i dati audio vengono decodificati con una frequenza di campionamento fino a 48 kHz e una velocità fino a 192 Kbps; con una frequenza di 28 MHz viene trasmesso un flusso con una velocità massima fino a 320 Kbps. decodificato.Il registro DECODEJTIME, durante l'elaborazione del flusso corretto, contiene l'ora corrente di decodifica in secondi. I bit 8-0 del registro AUDATA contengono il valore della portata dati in kilobit al secondo (se variabile contengono la portata attuale), i bit 12-9 contengono l'indice della frequenza di campionamento (Tabella 4). I bit 14 e 13 non vengono utilizzati e sono sempre impostati su 0. Il bit 15 caratterizza il tipo di dati audio (0 - mono, 1 - stereo).
Utilizzando i registri WRAM WRAMADDR AIADDR, è possibile caricare ed eseguire applicazioni scritte dall'utente sul chip, ad esempio miscelare canali, creare effetti stereo durante la riproduzione di un segnale mono e introdurre un equalizzatore digitale. Esempi di tali applicazioni e strumenti per il loro sviluppo si trovano sul sito web del produttore del chip. Va ricordato, tuttavia, che tutto ciò aumenta il carico sul processore del segnale digitale e le sue prestazioni sono limitate. Ad esempio, con una velocità di clock di 24,576 MHz e decodificando un flusso di dati di 128 Kbps con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz, c'è solo circa il 28% di tempo libero del processore. Quando l'espansore della risposta in frequenza è attivato (tramite il bit SM_BASS del registro MODE), viene sprecato un ulteriore 6,5% delle prestazioni del processore del segnale digitale. I registri HDAT0 e HDAT1 contengono informazioni sul titolo musicale estratto dal flusso di dati MPEG corrente. Il registro VOL serve per il controllo del volume. In ciascun canale il valore può variare da 0 a 255 (corrispondente all'attenuazione del segnale dal livello massimo a zero con incrementi di 0,5 dB). Per il canale sinistro, il valore viene moltiplicato per 256 e aggiunto al valore del canale destro. Pertanto, per ottenere il volume massimo, il registro deve contenere 0 e silenzio completo - 65535. Dopo un "reset" hardware viene impostato il volume massimo, un "reset" software non modifica il volume impostato. Quando il volume è impostato al minimo (255 in entrambi i canali), l'alimentazione alla parte analogica viene disattivata, con un clic. Puoi escluderlo se usi il valore massimo di 254 in entrambi i canali (0xFEFE) per disattivare l'audio. Il dispositivo utilizza un microcircuito PQ3VZ1 di SHARP come stabilizzatore della tensione di alimentazione a 20 V (DA51). La tensione di uscita Uout (entro 1,5...20 V con una corrente di carico fino a 0,5 A) viene calcolata utilizzando la formula Uout = Urev(1 + R3/R4), dove R4 = 1 kOhm, e la tensione di riferimento Urev = 1,25, 3 V. In questo caso R1,5 = 1,25 kOhm e Uout = 1 (1,5 + 1/3,125) = XNUMX V. Per separare i circuiti di alimentazione della parte analogica e digitale vengono utilizzate induttanze di filtro L1-L3 e condensatori C3-C6. Il chip ha una funzione di accensione/spegnimento incorporata, che può essere utilizzata in una versione portatile del dispositivo. Il software per il controllo del dispositivo è scritto in C e deve essere compilato e posizionato sul computer. L'autore ha utilizzato il compilatore Borland C. Per il controllo vengono utilizzate le seguenti funzioni, definite nel file vs1001.h: void SCIWrite(int aress, int data) - scrive su SCI; int SCIRead(int aress) - leggi SCI; void SDIWrite(int data) - scrive su SDI; void xReset(void) - "reset" hardware; int DREQ(void) - legge il valore del segnale DREQ. Il programma funziona così:
Se lo si desidera, impostare i registri rimanenti, ad esempio VOL, MODE, ecc. Quindi lo stato dell'uscita DREQ viene controllato dalla funzione DREQQ. Se è impostato su 0 (la funzione DREQQ restituisce 0), è possibile inviare i dati da un file MP3. * L'abbreviazione MPEG è l'abbreviazione di Moving Picture Expert Group, il nome del gruppo di esperti ISO (International Organization for Standardization) che lavora per sviluppare standard per la codifica e la compressione di dati video e audio. Spesso l'acronimo MPEG viene utilizzato per riferirsi agli standard sviluppati da questo gruppo. Nel caso più semplice, il programma si presenta così (mp3play.cpp):
Durante la riproduzione del file successivo è necessario eseguire un “reset” software del chip VS1001k (impostando a 1 il bit SMRESET del registro SCI MODE). Il controllo della funzionalità del dispositivo inizia con la parte analogica del chip DD3. Su tutti i pin UDDA, UDDD. oltre a xRESET e TEST0 dovrebbe esserci una tensione di circa +3 V, e sul pin RCAP - circa +1,3 V. Se su quest'ultimo è 0 o UD DA, la parte analogica del VS1001 è difettosa. Quando viene applicato un "reset" hardware del decoder al pin xRESET basso, dovrebbe accadere quanto segue: dopo 4096 cicli di clock dopo che la tensione su xRESET ritorna all'unità, dovrebbe apparire un livello basso sul pin DREQ, che dovrebbe passare ad alto dopo 6000 cicli di clock. Se i livelli del segnale su questo pin non cambiano nell'ordine specificato, il software interno del chip è difettoso. Successivamente viene controllato il funzionamento del bus SCI. Per fare ciò, scrivi il valore del volume massimo nel registro VOL, quindi il valore OxFFFF, che disattiva la parte analogica del chip VSl001k. Di conseguenza si dovrebbe sentire un clic dalle cuffie collegate alla presa XS2. Il seguente frammento di programma (scitest.cpp) lo dimostra: l'output produrrà cinque clic con un periodo di 0,5 s:
Ora bisogna verificare la lettura dei registri SCI. Per fare ciò, scrivere un valore nel registro VOL, ad esempio 12345, quindi leggere le informazioni da questo registro e confrontare il risultato. Se il test ha esito positivo, sul display del computer viene visualizzato il messaggio "SCI Read Test Passed"; altrimenti, "SCI Read Error" (sciread.cpp).
Successivamente viene controllata la registrazione in SDI. È conveniente utilizzare un test speciale integrato nel microcircuito che produce un segnale sinusoidale sull'uscita analogica. Per abilitare il test è necessario trasmettere via SDI la sequenza di otto byte 0x53 OxEF Ox6E n 0 0 0 0, dove n = 48... 119 (selezionato dall'utente). I parametri del segnale vengono determinati dalla tabella. 5, dove l'indice della frequenza di campionamento Fsldx = (n - 48)mod9 e il numero di campioni indice FSin = (n - 48)/9. Ad esempio, con n = 62 (in questo caso n - 48 = 14) Fsldx = 5 e FSin = 1. Il valore Fsldx = 5 corrisponde a una frequenza di campionamento di 16000 Hz e il valore FSin = 1-16 campioni. Pertanto, in uscita riceveremo un segnale sinusoidale con una frequenza di 16000/16 = 1000 Hz.
Per uscire dalla modalità di test, la sequenza di byte 0x45 0x78 0x69 0x74 0 0 0 0 viene trasmessa tramite SDI. Il seguente frammento di programma (sinetest.cpp) mostra questo test: sull'uscita analogica è possibile ascoltare per 1 s un segnale con una frequenza di 5 kHz:
Per controllare la memoria del chip VS1001k, viene inviata a SDI la sequenza di otto byte 0x4D OxEA 0x6D 0x54 0 0 0 0. Dopo questo comando è necessario attendere 500 cicli del generatore di clock. Il risultato del test può essere letto dal registro SCI HDAT000. I dati ricevuti vengono interpretati come segue: se il bit è impostato a 0, il test della memoria è superato (Tabella 1).
Se il test ha esito positivo, sul display del computer viene visualizzato il messaggio "Test della memoria completato con successo", altrimenti "Errore di memoria xxxxx", dove xxxxx è il valore letto dal registro HDATO. Ecco un frammento del programma di test della memoria (memtest.cpp):
Per testare i registri SCI, è necessario inviare all'SDI la sequenza di otto byte 0x53 0x70 0xEE n 0 0 0 0, dove n è il numero di registro per il test. Il contenuto del registro specificato viene letto e copiato nel registro HDAT0. Se è necessario controllare il registro HDAT0, il suo valore viene copiato nel registro HDAT1. Il dispositivo è montato su un circuito stampato realizzato secondo il disegno riportato in Fig. 4. Durante l'installazione, pezzi di filo stagnato vengono inseriti nei fori incorniciati da contatti di diametro minimo e saldati ai conduttori stampati su entrambi i lati della scheda. Invece di PQ20VZ51, è possibile utilizzare qualsiasi stabilizzatore di tensione a microcircuito che consenta di ottenere un'uscita di 3 V (ad esempio LM317). Eventuali induttanze L1-L3 con un'induttanza di 10 μH. Gli inverter con uscita open collector DD1.1-DD1.6, DD2.1-DD2.3 possono essere delle serie K155, KR531, K555, KR1533. Non è consigliabile sostituire il microcircuito VS1001k con dispositivi con indici di lettere diverse (versioni precedenti), poiché presentano una serie di difetti. Letteratura
Autore: V. Kardapolov, villaggio Tbilisskaya, Territorio di Krasnodar
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