摘  要： 基于嵌入式Linux技術(shù)，提出一種智能無線多媒體數(shù)字播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。介紹了系統(tǒng)功能、總體結(jié)構(gòu)、主控CPU和無線模塊。通過Linux系統(tǒng)中SPI接口的驅(qū)動(dòng)對(duì)無線模塊的控制，成功實(shí)現(xiàn)了區(qū)域位置自動(dòng)識(shí)別和音視頻文件的受控播放以及與用戶進(jìn)行交互的圖形化界面操作程序。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Linux；SPI驅(qū)動(dòng)；CYWUSB6934；多媒體數(shù)字播放系統(tǒng)

　　隨著旅游業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，旅游市場(chǎng)電子產(chǎn)品更趨多樣性，以滿足不同消費(fèi)人群的個(gè)性化需求，目前常見的能提供語音服務(wù)的電子導(dǎo)游機(jī)只能提供單一的語音解說，不能滿足游客追求視聽一體化享受的需求。如果在游客進(jìn)入任一景點(diǎn)時(shí)，可以通過手中的多媒體數(shù)字播放系統(tǒng)，在優(yōu)美的背景音樂中輕松聆聽富有內(nèi)涵的講解或在參觀、游覽的同時(shí)，播放相應(yīng)景點(diǎn)的歷史畫面，就能讓每一個(gè)游客得到深層次的精神享受。
　　嵌入式應(yīng)用技術(shù)已在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，其高智能化、可裁剪性、可移植性的特點(diǎn)已受到業(yè)界的推崇[1-2]。本文介紹一種智能無線多媒體播放系統(tǒng)，該產(chǎn)品將嵌入式應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用于電子多媒體導(dǎo)游產(chǎn)品開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了視頻受控播放，彌補(bǔ)了以往單一語音解說的不足，也有重要的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
1 系統(tǒng)組成
　　一種能夠自動(dòng)接收并識(shí)別無線地址碼的嵌入式智能無線多媒體播放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由手持智能無線多媒體終端和地址碼無線發(fā)射機(jī)構(gòu)成。

　　地址碼無線發(fā)射機(jī)安裝在各個(gè)景點(diǎn)或展臺(tái)處，周期性地向外發(fā)射自身地址碼，不同的景點(diǎn)/展臺(tái)具有不同的地址碼，同一景點(diǎn)/展臺(tái)可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)相同地址碼的發(fā)射機(jī)，盡量讓所發(fā)射的信號(hào)覆蓋整個(gè)景點(diǎn)/展臺(tái)，同時(shí)通過發(fā)射功率控制技術(shù)避免相鄰景點(diǎn)/展臺(tái)之間產(chǎn)生交叉干擾。隨著用戶的移動(dòng)，所攜帶的手持智能無線多媒體終端在走近某景點(diǎn)/展臺(tái)時(shí)會(huì)自動(dòng)接收到對(duì)應(yīng)該景點(diǎn)/展臺(tái)的地址碼，通過對(duì)該地址碼的解析，接收終端調(diào)用并切換到該地址碼對(duì)應(yīng)的、預(yù)存在SD存儲(chǔ)卡中的音視頻文件進(jìn)行播放，用戶可通過LCD液晶觸摸顯示屏觀看播放內(nèi)容，也可以終止自動(dòng)播放，手動(dòng)選擇其他的音視頻文件進(jìn)行播放。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)
　　設(shè)計(jì)指標(biāo)為：各景點(diǎn)/展臺(tái)的覆蓋范圍5 m~25 m可調(diào)；各景點(diǎn)/展臺(tái)之間互不干擾；景點(diǎn)識(shí)別編碼發(fā)射采用ISM頻段；信號(hào)發(fā)射功率在允許范圍之內(nèi)可調(diào)；能在溫度濕度相對(duì)惡劣的環(huán)境下工作；使用智能化操作系統(tǒng)，可隨時(shí)更新應(yīng)用程序；自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同景點(diǎn)/展臺(tái)的音視頻內(nèi)容切換；擁有圖形用戶界面，用戶可通過觸摸屏手動(dòng)選擇音視頻文件和語種；可存放音視頻文件，大小及數(shù)量根據(jù)SD存儲(chǔ)卡容量決定，可現(xiàn)場(chǎng)下載更新；支持音頻MP3和MPEG1-4視頻文件播放；發(fā)射主機(jī)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
　　為了滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的主要器件選擇如下：(1)地址碼無線發(fā)射機(jī)的主控芯片選用TI公司的MSP430F133；(2)手持智能無線多媒體終端的主控芯片選用三星公司的S3C2440A，該芯片典型主頻為400 MHz，集成了NAND Flash控制器、SD/MMC控制器、LCD控制器、SPI接口控制器等；(3)無線收發(fā)模塊選用CYWUSB6934；(4)Flash存儲(chǔ)器采用三星公司的K9F1208UOB；(5)SDRAM采用Hynix公司的HY57561620T；(6)顯示屏采用NEC 3.5′ TFT觸摸屏；(7)音頻解碼芯片采用UDA1341TS。
　　嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)成如下：(1)Bootloader使用三星公司專為其產(chǎn)品開發(fā)的啟動(dòng)代碼VIVI；(2)內(nèi)核采用Linux2.6.13版[3]；(3)文件系統(tǒng)選擇與NAND Flash兼容較好的YAFFS文件系統(tǒng)[4-6]；(4)圖形用戶界面采用QTOPIA1.7[7]。
2.2 ARM9嵌入式微處理器S3C2440A[8]
　　S3C2440A是三星公司基于ARM920T設(shè)計(jì)的一款處理器，主頻400 MHz；擴(kuò)展總線最大頻率100 MHz；32 bit數(shù)據(jù)，27 bit外部數(shù)據(jù)線；完全靜態(tài)設(shè)計(jì)（0～400 MHz）；存儲(chǔ)控制器(8個(gè)存儲(chǔ)體)，4個(gè)帶有PWM的16 bit定時(shí)器；多達(dá)55個(gè)中斷源的中斷控制器；RTC；3個(gè)UART，支持IrDA 1.0；4個(gè)DMA通道支持外設(shè)DMA；8通道，500 kS/s，10 bit ADC；支持STN與TFT LCD控制器；看門狗；I2S音頻接口；2個(gè)USB接口；I2C-Bus接口；2個(gè)串行外圍接口電路(SPI)；SD卡接口。選擇ARM9芯片可以利用Linux操作系統(tǒng)來減少軟件開發(fā)時(shí)間，而且S3C2440A對(duì)主流多媒體支持較好，很適合用于開發(fā)智能多媒體系統(tǒng)。
2.3 CYWUSB6934無線收發(fā)模塊[9]
      無線收發(fā)模塊選用Cypress公司的CYWUSB6934。該芯片既可用作發(fā)射，也可用作接收，工作在2.4 GHz ISM 頻段，頻率范圍為2.4 GHz～2.483 GHz。具有低功耗、低輻射的特點(diǎn)(輻射功率最大為0 dBm)，且發(fā)射功率可調(diào)(共7個(gè)等級(jí))；無線接收靈敏度高，可達(dá)-90 dBm；通信半徑可達(dá)10 m(當(dāng)輸出最大功率且無障礙物阻擋時(shí)的直線通信距離可達(dá)15 m左右)。采用直序擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，調(diào)制方式采用高斯頻移鍵控(GFSK)，與ARM之間接口為SPI口。由于其近距離、低功耗等特點(diǎn)，非常適用于短距離無線傳輸。
2.4 地址碼無線發(fā)射機(jī)[10]
　　地址碼無線發(fā)射機(jī)是以單片機(jī)為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)，主要包括電源模塊、無線發(fā)射模塊和發(fā)射功率調(diào)整撥動(dòng)開關(guān)，單片機(jī)與無線發(fā)射模塊的接口為SPI口。
2.5 手持智能無線多媒體終端
　　每個(gè)景點(diǎn)/展臺(tái)的音視頻內(nèi)容都以特定格式存儲(chǔ)在SD存儲(chǔ)卡中，每一個(gè)文件以規(guī)定方式命名，且對(duì)應(yīng)于一個(gè)地址碼。
　　手持智能無線多媒體終端開機(jī)完成硬件初始化、Linux操作系統(tǒng)的啟動(dòng)、文件系統(tǒng)的掛載和圖形用戶界面的啟動(dòng)后，由用戶點(diǎn)擊圖形桌面上的智能點(diǎn)播系統(tǒng)程序圖標(biāo)運(yùn)行點(diǎn)播程序。該程序打開無線模塊，開始監(jiān)聽信道，同時(shí)等待查詢信息的返回。系統(tǒng)每隔1 s查詢一次CYWUSB6934的數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器，當(dāng)收到1 B的數(shù)據(jù)后，狀態(tài)字會(huì)自動(dòng)改變。系統(tǒng)查詢到這個(gè)信息后，立即讀取CYWUSB6934的數(shù)據(jù)寄存器以獲得地址碼。系統(tǒng)會(huì)將接收到的地址碼與前一數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若相同則繼續(xù)播放，若不同則自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)該地址碼的文件進(jìn)行播放。
3 智能無線點(diǎn)播的實(shí)現(xiàn)
　　微處理器S3C2440A和無線芯片CYWUSB6934之間通過SPI接口進(jìn)行通信，在Linux系統(tǒng)中兩者之間的通信就必須通過SPI驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。而智能點(diǎn)播則是在用戶啟動(dòng)Linux系統(tǒng)中的點(diǎn)播程序時(shí)，系統(tǒng)識(shí)別接收到的數(shù)據(jù)后，自動(dòng)調(diào)用音視頻文件進(jìn)行播放。
3.1 SPI驅(qū)動(dòng)
　　在Linux操作系統(tǒng)中，所有外圍設(shè)備的控制都是通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口。
　　手持智能無線多媒體終端需要通過SPI接口控制無線收發(fā)芯片，這就需使用SPI接口驅(qū)動(dòng)程序來建立無線收發(fā)芯片與內(nèi)核之間的通信橋梁。SPI接口以主從方式進(jìn)行工作，其接口包括4種信號(hào)：(1)MOSI：主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入；(2)MISO：主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出；(3)SCLK：時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生；(4)/SS：從器件使能信號(hào)，由主器件控制。
　　圖2為S3C2440A與CYWUSB6934之間SPI接口的連接圖。圖中nSS控制CYWUSB6934作為從器件，SPIMOSI和SPIMISO是它們之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，SPICLK為時(shí)鐘信號(hào)。S3C2440A通過SPI接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，可發(fā)送或接收8 bit同步數(shù)據(jù)，其中兩路數(shù)據(jù)線信號(hào)的轉(zhuǎn)換與采樣由一路時(shí)鐘信號(hào)線進(jìn)行同步。SPI工作方式等的選擇由S3C2440A中的相關(guān)寄存器進(jìn)行控制。當(dāng)SPI作為主控制器時(shí)，由SPPRE寄存器中相應(yīng)的比特位控制。而當(dāng)SPI為從設(shè)備時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)則是由其他設(shè)備提供。當(dāng)程序?qū)?shù)據(jù)寫入SPTDAT寄存器時(shí)，SPI的發(fā)送和接收操作同步進(jìn)行。某些情況下，在將數(shù)據(jù)寫入SPTDAT寄存器之前，nSS應(yīng)該被置為高電平。在本系統(tǒng)中主要用到的S3C2440A內(nèi)部與SPI相關(guān)的寄存器如下：

　　(1)SPCON寄存器：主要用于設(shè)置時(shí)鐘開啟、SPI傳輸格式、SPI傳輸模式。其中傳輸模式有3種，分別是polling模式、DMA模式、中斷模式。
　　(2)SPSTA寄存器：SPI接口的狀態(tài)寄存器，用于指示數(shù)據(jù)接收或發(fā)送是否已經(jīng)完成。
　　(3)SPPIN寄存器：用于檢測(cè)是否有多個(gè)主機(jī)。
　　(4)SPPRE寄存器：用于設(shè)置SPI傳輸時(shí)鐘頻率。其值通過如下計(jì)算式確定：
　　Baud rate=PCLK/2/(Prescaler value+1)
　　其中Prescaler value的初始值為0x00。
　　(5)SPTDAT和SPRDAT寄存器：發(fā)射和接收數(shù)據(jù)寄存器。
　　在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，要對(duì)以上寄存器進(jìn)行賦值，就必須通過SPI驅(qū)動(dòng)程序。而驅(qū)動(dòng)程序就是作為系統(tǒng)和外部設(shè)備的一個(gè)橋梁，在這里只有將SPI通道正確打開，系統(tǒng)才能夠通過這個(gè)橋梁對(duì)外部無線芯片的基本工作寄存器進(jìn)行操作，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。
　　Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations完成的[11]。圖3所示為本系統(tǒng)中SPI驅(qū)動(dòng)設(shè)備描述符函數(shù)組成框圖。

　　圖3中驅(qū)動(dòng)程序的struct file_operations( )只使用了系統(tǒng)提供的4個(gè)子函數(shù)接口：open( )、write( )、ioctl( )和release( )。其中open( )用于完成SPI設(shè)備的打開、初始化相關(guān)寄存器、準(zhǔn)備進(jìn)行設(shè)備I/O操作；write( )完成通過SPI接口進(jìn)行寫操作；ioctl( )是進(jìn)行讀寫以外的其他操作，通過對(duì)I/O口高低電平的改變實(shí)現(xiàn)不同功能；release( )用于關(guān)閉設(shè)備，釋放占用內(nèi)存[12]。
　　S3C2440A SPI的傳輸形式是由SPI控制寄存器SPCON中的1 bit位和2 bit位的值共同決定的。1 bit位是CPHA(Clock Phrase Select)，它用來選擇傳輸格式為Format A或Format B，置0為Format A，置1為Format B；2 bit位是CPOL(Clock Polarity)，它決定時(shí)鐘信號(hào)是高電平觸發(fā)還是低電平觸發(fā)，置0為active high，置1為active low。根據(jù)這2個(gè)bit位的組合關(guān)系，S3C2440A的SPI操作方式有4種[4]：Format A高電平觸發(fā)，F(xiàn)ormat A低電平觸發(fā)，F(xiàn)ormat B高電平觸發(fā)，F(xiàn)ormat B低電平觸發(fā)。要使得S3C2440A能夠通過SPI接口對(duì)CYWUSB6934進(jìn)行讀寫操作，就必須讓它們的時(shí)鐘和傳輸形式都相同。由圖3可以看出，CYWUSB6934的SPI單字節(jié)讀出時(shí)鐘是高電平觸發(fā)的，又如虛線箭頭處時(shí)鐘信號(hào)的上升沿正與圖4中SPI時(shí)鐘相吻合，而在圖4中cmd的2 bit位是傳輸字節(jié)中的最高2位，再根據(jù)圖5中 MOSI的MSB就應(yīng)該是傳輸字節(jié)的最高2位，為00，所以選擇方式為Format A高電平觸發(fā)。

　　在確定了它們之間的傳輸格式以及觸發(fā)方式后， SPI驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)就是對(duì)這些寄存器進(jìn)行正確的賦值。無線收發(fā)芯片CYWUSB6934通過SPI接口與ARM9主控芯片進(jìn)行通信，需要對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)系統(tǒng)要求，使用SPI1口實(shí)現(xiàn)SPI通信，其具體的編程實(shí)現(xiàn)如下：
　　(1)在open( )函數(shù)中，對(duì)SPI接口進(jìn)行初始化，設(shè)置端口使用狀態(tài)，設(shè)置SPI傳輸時(shí)鐘和傳輸模式。其代碼如下：

　　在對(duì)S3C2440A中的SPI相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化時(shí)，需要注意SPI的時(shí)鐘是與主時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)的，如果不首先開啟主時(shí)鐘，即使將SPI自身工作時(shí)鐘開啟也不能使接口正常工作。
　　(2)通過寫函數(shù)write( )實(shí)現(xiàn)對(duì)無線收發(fā)芯片CYWUSB6934的數(shù)據(jù)及地址寄存器的操作。其代碼如下：
　　static ssize_t spi_write(struct file*filp，const char*buf，size_t
　　count，loff_t*f_ops)
　　{
　　　unsigned int tmp=0；
　　　get_user(tmp，(char*)buf)；/*獲取CYWUSB6934中寄存器地址*/
　　while((readl(SPSTA1) & 0x1)==0)；
　　writel(tmp，SPTDAT1)；/*向寄存器中寫預(yù)置數(shù)據(jù)*/
　　while((readl(SPSTA1) & 0x1)==0)；
　　tmp=readl(SPRDAT1)；/*再次從讀出的數(shù)據(jù)才是有用數(shù)據(jù)*/
   　 put_user(tmp，(char*)buf)；
　　return 0；
}
　　(3)驅(qū)動(dòng)中的ioctl( )函數(shù)通過改變I/O輸出電平的高低控制CYWUSB6934的PD（Power Down）口。該端口電平為低時(shí)可以使無線芯片工作在休眠狀態(tài)，以達(dá)到省電的目的。其代碼如下：

3.2 智能點(diǎn)播界面
　　當(dāng)手持智能無線多媒體終端接收到由地址碼無線發(fā)射機(jī)發(fā)出的地址碼時(shí)，將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，主控芯片通過SPI接口讀取該地址碼信息，并以此為指針?biāo)阉鲗?duì)應(yīng)的、預(yù)存在SD存儲(chǔ)卡中的音視頻文件，并按需調(diào)用終端中的音視頻播放器解碼播放。
　　軟件界面有2個(gè)按鈕，左邊是自動(dòng)播放按鈕，右邊是手動(dòng)播放按鈕。在用戶啟動(dòng)點(diǎn)播軟件時(shí)，終端處于自動(dòng)播放狀態(tài)，而自動(dòng)播放按鈕是當(dāng)用戶進(jìn)行手動(dòng)播放后，如需要再讓其進(jìn)行自動(dòng)播放時(shí)使用此按鈕。當(dāng)用戶點(diǎn)下手動(dòng)播放按鈕時(shí)，會(huì)立即終止自動(dòng)播放，彈出文件選擇菜單，手動(dòng)選擇需要播放的文件。
　　智能點(diǎn)播軟件需要解決的是底層數(shù)據(jù)和上層應(yīng)用程序的連接問題。因?yàn)樵摻缑娉绦蚴墙⒃赒TOPIA平臺(tái)[13-15]上的，所以需要用Embedded C++程序完成主界面的建立和播放器的調(diào)用。而對(duì)地址碼的判斷是對(duì)底層進(jìn)行操作，需調(diào)用C程序，則用戶界面程序使用一個(gè)自定義的data外部變量，作為上層界面程序與底層應(yīng)用程序的橋梁。為了使程序能準(zhǔn)確地調(diào)用播放器，這里還設(shè)立了一個(gè)消息機(jī)制，定時(shí)查詢CYWUSB6934的數(shù)據(jù)寄存器。一旦收到數(shù)據(jù)，就改變消息參數(shù)，上層界面程序查詢到這個(gè)參數(shù)改變后，便立即調(diào)用播放器。
　　本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式的無線智能多媒體數(shù)字播放系統(tǒng)將嵌入式應(yīng)用技術(shù)與短距離無線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成一套既具有工程實(shí)用價(jià)值，又可按需擴(kuò)展功能的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能化的區(qū)域識(shí)別與音視頻播放，適用于各種景點(diǎn)及展臺(tái)的音視頻自動(dòng)/手動(dòng)受控播放，有很好的市場(chǎng)前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄒思軼.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.
[2] 管耀武，楊宗德.嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā).北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[3] O′REILLY.Building embedded linux systems[M].2003，4.
[4] Seokhyun Kim，Yookun Cho.The design and implementation of flash cryptographic file system based on YAFFS[C]. School of Computer Science and Engineering，Seoul National  University，2008.
[5] Sudeep Jain，Yann-Hang Lee.Real-time support of flash  memory file system for embedded applications[C].Department  of Computer Science and Engineering Arizona State University，2006.
[6] CHEN Xing Wu，JIANG Xin Hua，WANG Lei.Development  on ARM9 system-on-chip embedded sensor node for urban  intelligent transportation system[C].School of Information Science and Engineering，Central South University， 2006，6.
[7] 深圳市優(yōu)龍科技有限公司.Qt嵌入式圖形開發(fā)(實(shí)戰(zhàn)篇)[M]. 2004，6.
[8] Samsung S3C2440X 32 Bit RISC microprocessor developer′s  manual[M].Samsung Electronics，2004.
[9] CYWUSB6934 datasheet[M].Cypress Corporation，2005.
[10] 馮文江，邱宇，張李鵬.智能無線電子解說系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006(10).
[11] 孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南——基于ARM9處理器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[12] O′REILLY.Linux device drivers third edition[M].2005，2.
[13] BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C++ GUI programming with Qt 3[M].Prentice Hall Ptr，2004.
[14] 深圳市優(yōu)龍科技有限公司.Qt嵌入式圖形開發(fā)(入門篇)[M].2004，6.
[15] 深圳市優(yōu)龍科技有限公司.Qt嵌入式圖形開發(fā)(基礎(chǔ)篇)[M].2004，6.