DIY你的数字娱乐系统：多功能可扩展掌上学习娱乐终端的系统方案、软硬件设计

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一、项目概述
         
        1.1 引言
         
        在这个信息爆炸的时代，在这个电子产品一浪接一浪横空出世的时代，人们对于五花八门的电子设备应接不暇，在兴奋当中却又显得些许迷茫，或者是苦于难以选择，或者是苦于囊中羞涩，从人们的消费观念可以折射出当今社会缺乏一种集娱乐，社交，方便，经济于一体的电子产品。
         
        为了解决这一难题，我们团队竭力于开发一款电子产品，以一次满足人们多个愿望！
         
        基于现实社会的状况，其实我们的电子产品主要针对的是热衷于音乐享受，热衷于网络交流的爱好者。做一款方便携带，集娱乐与网络于一身的电子产品绝对是居家旅游，课堂宿舍的必备产品。
         
        1.2 项目背景/选题动机
         
        我们的这款产品主要适合学生族购买，而现在市面是这一类的电子产品主要有：mp3,mp4,psp,NDSL,电子书，手机，电脑。
         
        让我们来逐一分析，mp3和mp4现在的功能大同小异，主要娱乐就是听音乐，看视频，附带有微型电子书，电子词典，各款小游戏等等，但是缺少一项现在社会上的潮流：网络！它们的弊端在于不能连接网络，歌曲无法更新，无法与外界进行交流。
         
        而psp和NDSL比较倾向于游戏，简单来讲，基本就是用来玩电子游戏的，购买人群更加集中于学生族。它们还附带有观看视频等功能，弊端显而易见，网络是其一，对于学习方面所能提供的服务稍微欠缺。
         
        然后是电子书，较于以上两类产品，电子书突出的优势就是能够连接网络，以及偏重于学习方面。可惜娱乐方面就比较欠缺，而且市面上的电子书价值不菲，稍微好点的都要一两千。
         
        最后是手机和电脑，强大的功能已经不用多说了，但是对于小中学生来说，这类属于高消费的电子产品，价格是最突出的问题。
         
        综上所述，我们的电子产品就是为了解决以上的各种问题而诞生的。同时，也致力于缓解学生们紧张的学习压力，为他们提供更好的交流平台，方便社交与学习。
         
        二、需求分析
         
        2.1 功能要求
        (1) WIFI功能。
        该MP3内置WIFI模块，用户可以通过界面上的按钮开启和关闭WIFI。当开启WIFI后，MP3会罗列出所有附近的WLAN，并自动连接上信号最强的那一个，当然用户也可以自己选择想要连接的WLAN。
       
        (2) 音乐搜索功能。
        音乐搜索功能可以从MP3中的收音机或外部音乐源录制一小段音乐，采集音乐样本，然后通过网络传送到互联网上某个音乐数据公司，再将样本与网上数据库中的音乐进行比对，最后反馈给用户搜索歌曲名称，歌手名字，所属专辑，发曲时间等与该歌曲相关的一些简单信息。
         
        注：用户也可以自己哼一小段歌曲旋律，系统会根据音乐的旋律变化而非用户的音色来找最出匹配的结果。
       
        (3) 收音机功能。
        该MP3上的收音机分为调频收音机和网络收音机。调频收音机与一般MP3上的收音机大同小异，用户可以通过上一曲和下一曲的按钮切换和搜索频道。网络收音机需要在联网的状态下使用，MP3中内置了一些优质的网络音乐电台，如豆瓣电台，华语音乐电台，欧美音乐电台等等。两种收音机都为用户添加了录音功能及音乐搜索功能。

         

        (4) 随机播放网络歌曲的功能。

        在联网的状态下，用户可以开启这一功能，MP3会根据用户平时所喜爱的

         

        歌曲风格来随机从网上选择相类似的歌曲进行播放。在授权的情况下，用户可以通过下载将喜爱的歌曲下载到MP3中。除此之外，用户还可以自己选择想听的歌曲类型，MP3再根据这一类型搜索相应的歌曲提供给用户。

         

        (5) 自助卡拉OK功能。
        用户可以通过这一功能选择MP3内已有的歌曲，系统经过消音处理后用
         
        户可以利用录音功能录下自己的所唱的歌曲，录音结束后，用户还可以通过系
         
        统内设的某些音效处理来润饰翻唱的歌曲。此外，在联网的状态下，用户可通
         
        过菜单中的伴奏社区来搜索某些歌曲的伴奏。
         
        (6) 社区分享的功能。
        在联网的状态下，用户可以将自己喜爱的音乐、伴奏，或者自己翻唱的歌
         
        曲通过MP3直接分享到社区中，如人人网，微博，开心网等社交网站。也可以
         
        收听好友所上传的音频文件，与大家一起享受音乐的乐趣。
         
        (7) 外设输入功能。
        MP3置有USB驱动模块和SD卡驱动模块，用户可以将SD卡插入MP3中，
         
        MP3将自动扫描和筛选支持的音频文件，这样方便了用户的使用，同时也提高了MP3的可扩展性。
         
        以下列出几个打算实现的功能界面，其中学习娱乐终端主界面见图1。
         

       

        图1 学习娱乐终端主界面

         

        随便听听功能界面见图2。

       

        图2 随便听听功能界面

         
        卡拉OK界面见图3。
         

       

        图3 卡拉OK界面

         

        为了满足以上的功能需求，整个系统架构如图4所示。

       

        图4 系统架构

         

        2.2 性能要求
        （1）完美支持在线听歌模式，在网络环境不太好的情况下也能实现无间断播放，这要求利用边下边播技术在下载歌曲的时候就能听歌，并通过优化减少等待和缓冲时间。
         
        （2）在离线模式下，已缓存的歌曲仍能被听到。
         
        （3）拥有智能识别功能，对连接到系统中的sd卡、U盘等移动设备能自动检测出音频文件并提示。
         
        （4）人声与伴奏的分离技术要求尽量少的出现模糊不清的、有杂音的情况。
         
        （5）系统拥有高稳定性，不会出现死机、无响应等状况。
         
        三、方案设计
        3.1 系统功能实现原理
        由于在做娱乐终端时，需要具有MP3播放功能，并需要有网络功能和USB OTG功能。针对这些需求，需要芯片具有MP3解码功能，音频播放的功能，具有网络接口和USB OTG接口等。
         
        AT32UC3A是完整的系统级芯片微控制器,采用AVR32 UC RISC，芯片运行功耗低，代码效率高和性能高，并且具有DSP指令集，利用Atmel公司提供的DSPLib可以方便的实现MP3解码和录音去噪的滤波功能，因为具备这样的高性能，所以它不再需要定制音频解码器硬件，它能以稍高于20MHz的运算能力解码立体声MP3音频流。由于其最高速度可达72MHz，因而其CPU还留有足够的性能裕量来处理AAC和AAC+等“负荷较重”的音频格式。而剩余的性能裕量还可以运行操作系统和完成必须的文件存储和通信功能。数字音频信号在解压之后，必须转换为模拟音频才能通过一组扬声器播放出来，AVR32提供了一个Hi-Fi立体声16位DAC用于立体声输出。因此，它只需要一个很小的外部功放来产生线路输出、耳机输出或外部扬声器所需的输出电平。4声道音频播放或全环绕声播放则需要通过微控制器的I2S接口外连一个音频编解码器。虽然AVR32微控制器中的闪存和SRAM足以存储用户固件、解码音频和缓冲通信数据，并对只需要几秒音频缓冲的纯数据流应用而言，片上SRAM已足够大，不需再外接存储器。但片上存储器的大小并不足以缓冲几秒以上的音频内容，不过AVR32的可选存储器范围很宽，其中有SDRAM、SD/MMC卡、USB大容量存储器和NAND闪存。AVR32可以任意组合这几种存储器用于存储音频内容。其中，SDRAM 可扩展到32MB；SD卡接口支持高达2GB的高速大容量SD卡；USB主机接口能连接常规USB记忆棒，也可用于接入一个带USB插头的媒体播放器、相机或手机。NAND闪存接口最多可支持两块芯片，而且能提供对单层(SLC)和多层单元(MLC)ECC的硬件支持。
         
        EVK1105实验平台具有LCD显示、触摸屏、外扩了32MB SDRAM、SD
         
        卡接口、USB OTG接口、网络接口、音频输出和麦克风输入电路等，正好符合本设计的要求，所以本设计选择EVK1105实验平台实现一系列功能。利用EVK1005完善的网络模块接口，实现和社区服务器的连接，从而实现社区娱乐功能。利用EVK1005中功能强大的音频处理技术，通过软件的智能识别，把歌曲中伴奏部分抽取出来，从而实现从歌曲中抽取伴奏的功能。
         
            具体硬件电路框图，见图5。
         

       

        图5 硬件电路框图

         

        3.2 硬件平台选用及资源配置

        由于在本设计中要用到LCD、触摸屏和SD卡等，并且要进行MP3解码，所以本设计选用大赛提供的EVK1105实验平台，见图6。

         

       

        图6 项目开发实验平台

         
        3.3系统软件架构
        软件设计可基于uCOS- Ⅱ实时操作系统之上的应用程序来开发。uCOS- Ⅱ是一种可移植、可固化、可裁剪、抢占式的实时多任务操作系统，具有成本低、稳定可靠、实时性好等优点。

         

        本系统的软件架构采用双层模式, 即底层软件为系统与产品硬件接口交互的应用程序编程接口(API)； 顶层软件的主要工作则采用底层软件定义的API来实现项目所要求的各个功能模块，同时对底层接口和数据进行必要的后续处理。图7所示是系统的软件架构图。

         

       

        图7  软件架构图

         

        3.4 系统软件流程

        开机进入主界面后，主要有三部分内容：歌曲播放控制、WIFI连接、打开功能菜单三部分。

         

        歌曲播放控制有音量控制、歌曲切换、播放列表选择、均衡器设置等部分四部分，可以对歌曲的播放进行较为全面的控制。

         

        打开WIFI连接功能，系统先对周围环境的WIFI信号进行选择，自动选择信号最强的提示用户连接，用户也可以重新选择需要连接的网络。WIFI功能打开以后，用户方可以进行各种需要联网的服务，如歌曲搜索、上传分享音乐等。

         

        打开功能菜单，是各种与音乐相关的服务。具体有以下几种：

         

       

•                                         音乐搜索：
  

         

        只能在联网后才能使用。含有三种搜索方式：1、搜索歌曲；2、搜索背景音乐；3、哼歌搜索。三种搜索方式均可提供语音识别功能，通过用户所的话进行搜索。第三种搜索方式为用户在只知道歌曲旋律时提供了方便的搜索。

         

       

•                                         音乐推介：
  

         

       

•                                         随机推荐在网络上人气高涨的歌曲，用户可以在不确定想听的歌曲时提供一
  

         
        种推荐介绍。歌曲会进行分类，方便选择。
         

       

•                                         音乐电台：
  

         

       

•                                         提供两种方式：广播电台和网络电台。广播电台无需联网。系统会自动记忆
  

         
        音乐电台的频率。
         

       

•                                         卡拉OK：
  

         

       

•                                         进入卡拉OK模式后，可以再次选择歌曲，并选择原唱和伴唱模式。当选择
  

         
        了伴唱，如果已联网，会提示下载伴唱的歌曲文件，当不下载时也可以通过软件进行消人声处理。当开始播放音乐是自动启动录音功能，并在结束或用户停止后提示用户是否保存录制的音频文件。录制后，用户可以继续进一步的后期处理，如消除噪音、增加混音、添加背景音乐以及在用户已登录社区是提供一键分享到社区的功能。
         

       

•                                         文件管理：
  

         

       

•                                         对连接到系统的外部存储设备进行管理。系统可自动识别设备上的音视频文
  

         
        件并进行读取，亦可把下载好或者录制好的歌曲保存到外设上。
         

       

•                                         ……其他可以扩展的功能，可根据需求添加。
  

         

        在每种功能模式下，均能通过主菜单进行模式的切换。

         

        程序流程图，见图8。

         
         

       

        图8 程序运行流程图

         
        3.5 系统预计实现结果

        实现当今市面上MP3的基本功能，以及在2.1中提及的所有功能。

         

        项目预期技术目标将体现在兼容性、拓展性、易用性、高效率、健壮性和安全性。

         

       

•                                         兼容性： MP3可以对大多数音频文件格式兼容。
  

         

       

•                                         拓展性： MP3可以对市面上的大多数SD卡和U盘识别，用户也可以通过PC机安装某些不能识别的SD卡和U盘的驱动。
  

         

       

•                                         易用性： 该设备虽然功能较多，但其界面简洁易懂，让用户能在最短时间内掌握和熟悉当中功能的使用和技巧。
  

         

       

•                                         高效率：该设备在网络环境不太好的情况下也能流畅地播放网络歌曲，并通过优化手段减少等待和缓冲时间。节省用户的时间。
  

         

       

•                                         健壮性：容错能力高，可以在接收格式上统计进行规范化，健壮性强。
  

         

       

•                                         安全性：设备只读取外设中的音频文件，对其他不支持的文件格式予以忽略，减少了中病毒的机会，安全性高。