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摘要：介绍了CIRRUS LOGIC公司生产的音频解码芯片CS43L42与嵌入式处理器EP7212的接口实现方法，分析了基于嵌入式处理器EP7212/7312和CS43L42芯片的MP3文件播放系统，给出了由其组成的完整硬件连接图和有效的软件实现方法。
关键词：嵌入式处理器；数字音频接口DAI；CS43L42；MP3；EP7212
1 引言目前存储声音信息的音频数据格式主要有PCM文件、VOC文件、MIDI文件、MP3文件等。对导航系统来说，要实现音频文件的播放，存储器容量是一个需要考虑的问题。由于导航系统的存储空间有限，所以要求存储的文件压缩率高。与其它文件格式相比，MP3音频文件具有较高的压缩率和不逊色于CD的音质，所以在导航系统中音频文件的存储选用MP3格式。
MP3的全称为MPEG1 Layer－3音频文件，MPEG?Moving Picture Experts Group?在汉语中译为活动图像专家组，特指活动影音压缩标准。MPEG音频文件是MPEG1标准中的声音部分，也叫MPEG音频层，它根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层，即Layer1、Layer2、Layer3，分别对应MP1、MP2、MP3这三种声音文件，并根据不同的用途，使用不同层次的编码。MPEG音频编码的层次越高，编码器越复杂，压缩率也越高，MP1和MP2的压缩率分别为4：1和6：1～8：1，而MP3的压缩率则高达10：1～12：1，也就是说，一分钟CD音质的音乐，未经压缩需要10MB的存储空间，而经过MP3压缩编码后只有1MB左右。不过MP3对音频信号采用的是有损压缩方式，为了降低声音失真度，MP3采取了“感官编码技术”，即编码时先对音频文件进行频谱分析，然后再用过滤器滤掉噪音电平，接着通过量化的方式将剩下的每一位重新排列，最后形成具有较高压缩率的MP3文件，从而使压缩后的文件在回放时能够达到比较接近原音源的声音效果。
虽然MP3是一种有损压缩方式，但它以极小的声音失真换来较高的压缩比，因此在较多的场合得以应用。尤其是随着数字技术的发展，MP3压缩方式在便携式电子产品中得到了越来越广泛的应用，深受追求时尚、新潮的青年朋友的喜爱。
2 CS43L42播放芯片
CS43L42是CIRRUS LOGIC公司生产的音频解码芯片，它可工作在1．8～3．3V，关掉线性放大器时功耗仅16mW?非常适合于MP3、MD播放器等低功耗场合的应用。该芯片是一款完全意义上的数模转换器，它包括1bit D／A转换、模拟滤波、音量控制、线性电压输出以及耳机放大器。通过改变主频率，其允许的输入采样频率可从2k～100kHz变化。该器件具有数字重音、峰值限制和去加重等特性。此外，由于采用了POPGUARD技术，CS43L42还可有效防止加电、断电时产生的瞬间冲击。
CS43L42具有DAI接口，能够与嵌入式处理器EP7212／7312较好的配合。它具有三种模式：双线模式、SPI模式、STAND ALONE模式。通过引脚CP／SA和AD0／CS／DEM0置相应状态可以设置这三种模式。当CP／SA引脚为低电平时，芯片为STAND ALONE模式，当CP／SA为高电平时，只要检测到引脚AD0／CS／DEM0电平从低到高变化，则进入SPI模式，否则为双线模式。在STAND ALONE模式下，可用SCL／CCLK／DIF1和SDA／CDIN／DIF0引脚来设置数据、左／右时钟以及主时钟之间的关系。在双线模式和SPI模式下，则可以通过对寄存器进行操作来实现静音、声道衰减和音量控制等功能。图1是CS43L42的内部原理图，图2是该芯片的引脚排列示意图，各引脚的功能如下：
1脚（RST）：复位信号，低有效。
2脚（LRCK）：左／右帧同步。
3脚（SDATA）：串行音频数据，数据随串行时钟引入。
4脚（AD0／CS／DEM0）：在SPI模式下，用于使能控制端口。
5脚（SCLK／DEM1）：位时钟，等于MCLK的1／2，每帧有128位。
6脚（VL）：数字电源电压，典型值为1．8V～3．3V。
7脚（MCLK）：2x过采样时钟，仅在从模式下输入。
8脚（SCL／CCLK／DIF1）：串行控制接口时钟。
9脚（SDA／CDIN／DIF0）：串行控制数据输入输出。
10脚（N．C．）：无连接，悬空。
11脚（CP／SA）：控制模式和等待模式控制。
12脚（VQ＿HP）：耳机静态电压接口。
13脚（REF＿GND）：连接到模拟地。
14脚（FILT＋）：正向基准电压，用于内部采样电路。
15脚（VQ＿LINE）：线输出静态电压接口。
16?21脚（HP＿A，HP＿B）：耳机输出。
17脚（GND）：连接到模拟地。
18脚（VA）：模拟电源电压，典型值为1．8V～3．3V。
19脚（VA＿LINE）：线性扩音器电源端，典型值在1．8V～3．3V。
20脚（VA＿HP）：耳机放大电源端，典型值为0．9V～3．3V。
22，23脚（AOUTB? AOUTA）：模拟输出端。
24脚（MUTEC）：静音控制。
3 CS43L42的硬件连接电路
如系统中芯片工作在STAND＿ALONE模式，则将DIF1、DIF0分别设置为低、高电平表示接收左起有效的24位数据。图3是CS43L42的典型外围连接电路。图中的电容C由下式给出：
C＝(RL＋560)/[4π Fs(RL·560)]
4 MP3播放软件设计MP3文件播放的软件设计任务如下：
（1）初始化EP7212 的DAI接口。
（2）将MP3文件解码成PCM文件并存放于开辟的两个缓冲区（左、右两个声道）。
（3）在FIQ（快速中断请求）中将PCM格式的数据写到DAI接口，同时播放声音（未有数据时播放静音）。
4．1 EP7212的DAI接口介绍和初始化
a． DAI接口
EP7212／7312的数字音频接口（DAI）主要用于支持高质量立体声的音频处理。图4是CS43L42与嵌入式微处理器EP7212的DAI接口电路。该接口主要由以下五个信号组成：
（1）LRCK，左／右帧同步。
（2）SCLK，位时钟，等于MCLK的1／2，每帧有128位。
（3）MCLK，2x过采样时钟，仅在从模式下输入。
（4）SDOUT，数字音频数据输出。
（5）SDIN，数字音频数据输入。
用MSB／Left数据调整格式意味着数据在帧同步信号（LRCK）电位改变后立即被计时。MSB在第一位时是左调整，这与I2S格式相比有些不同，I2S格式的数据在改变电位后要延迟一个时钟。数据帧每帧是128位长，这样每个声道64位长。帧的大小和LRCK的运行周期在EP7212／7312中不能被设置。SCLK可从MCLK中得到，频率等于1／2 MCLK。缺省模式中，DAI处于主模式。该模式下自己产生的MCLK时钟等于9．216MHz。这样，SCLK等于4．608MHz。对于需要SCLK有不同速率的应用，DAI可以被设置成从模式。在从模式下，外部源通过MCLK引脚给MCLK提供主时钟，然后分成两半生成SCLK。不管DAI模式如何设置，SCLK和LRCK通常都设置成输出。数据一般在SCLK的上升沿锁入，在下降沿释放。
DAI接口是一种高质量的数字音频接口，可以连接与DAI接口兼容的音频设备。EP7212 的DAI接口通过位时钟和帧同步时钟产生128bit帧数据。数字音频数据的接收和发送均采用全双工方式，对应于12采样深度的接收FIFO和8采样深度的发送FIFO。在DAI 接口信号中，MCLK是主时钟，它是音频采样频率的256倍，SCLK为音频采样频率的128倍，LRCK固定为采样频率。由于本系统中的MCLK连接外部时钟发生器，频率为11．2896MHz?所以采样频率为44．1KHz。其DAI接口时序图如图5所示。
DAI的帧长128bit?其中包括一个音频采样数据，在这128bit中，仅有32bit为实际的音频数据，其余输出均为零。左／右时钟作为帧同步信号，左／右时钟从高到低表示右声道的16bit数据，从低到高表示左声道的16bit数据。
b． DAI接口初始化
DAI初始化程序中首先应设置控制寄存器， 接着选择外部时钟有效以及在左发送FIFO数据少于一半时产生中断。然后清除状态寄存器上溢、下溢位，之后使DAI接口、发送FIFO和接收FIFO有效。最后打开DAI中断。
4．2 MP3文件的解码
ARM公司提供有基于ARM处理器音频文件解码库，它能够有效地解码MP3格式的歌曲，而输出16bit立体声PCM数据。
a． 解码库所定义的结构
·tSampleRate定义了解码数据PCM的采样率
typedef enum tagSampleRate
{
SR 11 025kHz?
SR 12kHz?
SR 44 1kHz?
SR 48kHz?
SR 32kHz?
SR Reserved
} tSampleRate ?
·tMPEGStatus 给出了MP3函数返回状态值。
typedef enum tagMPEGStatus
{
eNoErr?
eNoSyncword?
eCRCError?
eBrokenFrame?
eEndOfBitstream?
eDataOverflow?
} tMPEGStatus ?
·tMPEGBitstream?给出MPEG比特流的指针，bufptr定义为比特流的字指针，bitidx定义为字中的索引（0－31）。
typedef struct tagMPEGBitstream
{
unsigned int ＊ bufptr?
unsigned int bitidx?
} tMPEGBitstream?
·tMPEGHeader?包括MPEG音频报头信息，sam-ple＿rate为PCM采样频率，samplesperchannel为每个声道的采样数，numchans为声道数，packed info为报头信息，bits required为下一次调用函数需要bit数，free format是指比特流的格式。
typedef struct tagMPEGHeader
{
tSampleRate sample rate?
unsigned int samplesperchannel?
unsigned int numchans?
unsigned int packed info?
unsigned int bits required?
unsigned int free format?
} tMPEGHeader?
b． MP3解码库所提供的函数
·InitMP3Audio?tMPEGInstance ＊inst?
功能：初始化***解码指针。
·MP3SearchForSyncword?tMPEGInstance ＊inst?tM-PEGBitstream ＊bs?length?
功能：查找MPEG数据中的同步字。
·MP3DecodeInfo?tMPEGInstance ＊ inst?tMPEGBit-stream ＊ bs?tMPEGHeader ＊ pmpeg hdr?
功能：从MPEG帧中获得报头的信息。
·MP3DecodeData?tMPEGInstance ＊inst? short ＊left?short ＊ right? tMPEGBitstream ＊ bs?
功能：从MP3数据解码成PCM数据，并将其存到left、right指向的缓冲区中。
c． MP3程序解码流程及在FIQ中断中的实现
图6所示是该系统中MP3文件的解码流程。该文件可在FIQ中断中实现播放。由于DAI FIFO对应于FIQ中断，因此，它可以通过控制寄存器来设置FIFO的中断方式，并可在程序中将产生中断的位置设置在左发送FIFO中少于四个采样数据时。由于在FIQ中断中保存有MP3解码缓冲区的地址，因此，若在进入FIQ后各写四个采样数据到左右FIFO中，那么，对于44．1kHz文件来说，FIQ发生的速率将为11kHz。为了保证左右FIFO的正确填充，一般需要交替写两个FIFO。此时如果MP3缓冲区无数据，则可写0（静音）到两个FIFO中，这样，程序就可以跳出FIFO中断接着处理数据。需要说明的是：无论程序是否需要录音，都要从接收缓冲区读四个数据，这样可确保DAI FIFO处于同步状态而不会产生失真。另外，在FIQ处理程序的最后，还要清除溢出状态位，这样可以防止FIQ始终中断。