基于ARM的嵌入式网络收音机的设计
摘要：研究了一种基于ARM处理器的嵌入式网络收音机的设计方案。该系统以ARM处理器及其外围设备为硬件平台,以嵌入式Linux为操作系统，实现了网络收音、局域网共享音频文件和本地SD/MMC卡内音频文件的播放功能，该系统还使用了无线网卡模块，通过USB接口与系统连接。由于该系统运用嵌入式Linux提供的TCP/IP协议直接与网络电台的地址连接，所以省去PC机，就可以轻松的收听全世界的网络电台，而且体积较小，移动方便。
关键字：嵌入式系统；Linux；ARM；网络收音
收音机作为接收广播的工具，经过漫长的发展过程，由单波段发展到多波段，由电子管，晶体管发展到集成电路，由机械调谐发展到数字调谐功能和质量有了长足的进步，在收音机这个家族中新的成员也在不断加入,如卫星广播接收机等，当社会进入网络时代后,便出现了网络收音机。但是这种收音机都是基于PC机到应用软件，也就是说这种网络收音机不能脱离电脑，而本系统通过网络接口与英特网相连，在嵌入式Linux提供的TCP/IP协议的基础上直接访问网络电台的地址，实现收音的功能，因而使该嵌入式网络收音机无需PC机，就可以方便的收听来自全世界的声音。
1系统的结构及工作原理
系统的硬件结构框图如图1所示。本系统选用的ARM处理器是Sumsing(三星)公司的一款ARM9系列的芯片，型号为S3C2410。有线网卡芯片采用CS8900，该芯片是Cirrus Logic公司生产的一种局域网处理芯片，它的封装是100-pin TQFP，内部集成了RAM、10BASE-T收发滤波器，并且提供8位和16位两种接口。无线网络接口采用无线网卡模块，该模块为USB接口，通过USB接口与S3C2410相连。FLASH芯片采用 K9F5608，用来存储启动引导程序U-boot、内核及文件系统，SDRAM芯片采用HY57V281620，作为该系统的内存。LCD选用16*4的字符型液晶显示模块，用来显示网络电台、音频文件名等相关信息。音频D/A转换芯片选用具有IIS接口的UDA1341。
该系统的软件模型如图2所示。系统以S3C2410及其外围电路为硬件平台，嵌入式uclinux和设备驱动程序为上层mplayer播放器和用户应用程序提供软件平台。
图 1 硬件结构框图
图2 软件模型
2 系统的硬件设计
2.1 S3C2410
S3C2410 芯片基于 ARM920T 内核，采用五级流水线和哈佛结构，提供1.1MIPS/MHz 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。ARM920T 具有全性能的MMU、指令和数据Cache以及高速AMBA总线接口。
作为 S3C2410 芯片的 CPU 芯核，16/32 位ARM920T RISC微处理器采用0.18ìm CMOS标准单元结构，具有独立的16kB指令缓存和16kB数据缓存。S3C2410 内部结构较复杂，提供可扩展的功能模块较多，主要有 ARM920T 内核（16-/32-bit RISC CPU），独立的 16kB 指令和 16kB 数据缓存，MMU虚拟内存管理单元，LCD控制器（支持STN和TFT），NAND flash boot loader，系统管理单元（SDRAM控制器等），3通道 UART，4通道 DMA，4通道具备PWM 功能的定时器，I/O 口，RTC（实时时钟），8通道10bit精度ADC和触摸屏控制器，IIC总线接口，IIS数字音频总线接口，USB主机，USB设备，SD/MMC
卡控制器，2通道 SPI 和 PLL数字锁相环组成。其内部结构如图3所示。
图3 S3C2410内部结构图
S3C2410提供了多种存储设备的接口，其中包括接ROM、SRAM、SDRAM、NOR Flash、NAND Flash等，同时S3C2410的外接存储空间被分为8个bank，每个容量为128M。本系统中Flash存储器（Boot SRAM）、网络接口（NET）、LCD Frame Buffer和SDRAM存储器分别映射到存储空间的bank0、bank1、bank2和bank6。如图4所示。
图4 存储空间映射
2.2 网络接口
本系统分为有线网络接口和无线网络接口，有线网络接口选用CS8900芯片局域网处理芯片，其片选信号连接到S3C2410的nGCS1，因此网卡的地址空间映射到0X08000000~0X0FFFFFFF。无线网络采用带有USB接口的WLAN（Wireless Local Area Nerwork）卡，插入系统的USB接口即可。
2.3 SDRAM存储器
HY57V28160是一个数据宽度为16BIT，容量为16M字节的SDRAM芯片。HY57V28160与S3C2410的连接图如图5所示。
图5 HY57V28160电路图
SDRAM的地址空间映射到存储空间的bank6，如图5所示 ，HY57V28160的ncs引脚接到处理器的nGCS6。由于在处理器的存储空间中，字节是存储容量的唯一单位。而SDRAM（HY57V28160）的数据宽度为16，它的每一个存储单元都包含2个字节。因此SDRAM（HY57V28160）的A0引脚接到了S3C2410处理器的地址线ADDR01上面。 HY57V28160的容量为16M（2^24）字节，因此它需要ADDR00~ADDR23共24跟地址线来寻址，所以，BA0~BA1引脚应该接到ADDR22~ADDR23地址线上。
2.4 Flash存储器
本系统中，Flahs存储器主要用于存储U-boot、Linux内核及文件系统。常见的Flash存储器有NOR Flash和NAND Flash，两种Flash各有优缺点。本系统综合考虑了各项因素，选用了16M*16BIT的NAND Flash，型号为K9F5608。系统启动时，CPU从0x00000000地址开始运行，所以要将Flash的首地址映射到0x00000000，因此该Flash芯片的片选引脚要接到nGCS0，其电路图设计如图6所示。
图6 nand flash电路图
3 系统的的软件设计
3.1 嵌入式Linux的移植
嵌入式Linux内核的版本很多，一般情况下版本越高，系统越稳定，驱动更完善，本系统选择了2.6.18的Linux内核。其实对于2.6以后版本的Linux内核，对S3C2410的支持都有了很好的支持，所以移植过程都比较简单。Linux2.6.18移植到S3C2410的基本过程如下：
（1）、下载Linux2.6.18内核，并解压到相应目录。
（2）、修改内核顶层目录下的Makefile文件，指明交叉编译器。进入Linux-2.6.18内核目录，输入命令vi Makefile，找到ARCH和CROSS_COMPILE两项，将其修改为ARCH = arm，CROSS_COMPILE = arm-linux-。
（3）、设置PATH环境变量，使其可以找到交叉编译工具。输入su root，进入root，在输入vi /etc/bashrc，在结尾处加入以下行：export PATH=/usr/local/arm/3.4.4/bin:$PATH，然后重启终端或重新登陆即可。
（4）、设置Flash分区。首先要在arch/arm/mach-s3c2410/devs.c文件中添加分区信息，其次在arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c文件的smdk2410_devices[]的成员中添加&s3c_device_nand。这样Linux内核启动时，就会对Flash分区的设置初始化。
（5）、禁止Flash ECC校验。修改drivers/mtd/nand/s3c2410.c 文件，找到s3c2410_nand_init_chip()函数，在该函数体最后加上一条语句：chip->eccmode = NAND_ECC_NONE。
（6）、配置内核。通过make menuconfig命令配置内核。
（7）、编译内核，make zImage命令，得到Linux内核的映像文件zImage。
（8）、制作根文件系统。
3.2 Mplayer移植
Mplayer是Linux下的一个媒体播放器，它对媒体格式的支持非常广泛，而且支持实时在线播放音视频流。Mplayer的移植过程如下：
（1）、下载源代码MPlayer-current.tar.bz2，并解压。
（2）、为了让mplayer支持在线播放，从而能够播放网络电台，还必须下载安装网络协议包（主要指RTSP、MMS等协议）。可从www.live555.com上下载live555协议包，解压后配置并编译。
（3）、配置mplayer。在命令行输入：
./configure --cc=arm-linux-gcc --target=arm-armv4-linux --enable-static --disable-win32 --disable-dvdread --enable-fbdev --disable-mencoder --disable-mp3lib --enable-mad --enable-libavcodec --enable-live --with-livedir=/live555的目录/，其中，--host-cc=gcc是用来编译一些需要在host上执行的中间文件的，如codec-cfg。--cc=arm-linux-gcc如果没有将arm-linux-gcc的位置加入到$PATH中的话，在这个指定绝对路径好了。--target=arm-armv4l-linux这个参数要注意的是一个分三部分，第一部分的arm是指arch，这里设定为arm；第二部分的armv4l是指具体的版本；第三部分是系统平台。--enable-static是设定静态连接。最后的一个2>&1 | tee logfile意思是将执行的情况在输出到屏幕的同时记录到logfile文件中，在控制台下编译比较有用。
（4）、输入make命令开始编译，编译完成后在顶层目录生成mplayer可执行文件。
3.3系统软件主流程图
系统上电后，bootloader(U-boot)启动，完成硬件设备的初始化， 并引导系统内核启动。系统启动执行初始化任务后，首先配置网络连接，通过DHCP Clieant向DHCP Server申请获取IP地址。然后系统自动访问电台服务器，该服务器上有最近更新的世界各地的网络电台的URL地址，系统下载到该列表并更新原有列表后，自动连接列表的第一个网络电台。若在该过程中有按键产生，系统根据按键类型及当前状态调用相应的功能。系统主流程图如图7所示。
(a)
(b)
图7 系统主流程图