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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Reproductor de audio para formatos MP3 y Opus. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Audio Este artículo describe un reproductor portátil casero para archivos de música de formatos comunes desde una tarjeta de memoria microSD. Está ensamblado sobre un microcontrolador STM32F407VGT6 en una carcasa procedente de un celular NOKIA 1100. El diagrama del reproductor se muestra en la Fig. 1. Aprovecha al máximo los componentes electrónicos disponibles en la placa de desarrollo STM32F4DISCOVERY, que incluyen el microcontrolador STM32F407VGT6 (DD1), los reguladores de voltaje integrados LD3985M25R (DA1) y LD3985M33R (DA3), el códec CS43L22 (DD2), así como los necesarios componentes pasivos. Del celular NOKIA 1100, además de la carcasa y la batería, un conector para conectar auriculares XS3, un panel frontal con LCD HG1, membranas para botones SB1-SB17 formadas por almohadillas de contacto concéntricas sobre una placa de circuito impreso y un conector para conectar una batería se utilizaron G1. Además, la placa del reproductor contiene un soporte para una tarjeta de memoria microSD TFC-WPCE-08 (XS1), un grupo de almohadillas de contacto para conectar el programador Xp1 y un conector miniUSB-B 5075BMR-05-SM (XS2).
Los conjuntos de diodos VD1, VD4, VD5, VD6 se utilizan para proteger los circuitos conectados a los conectores XS2 y XS3 de descargas electrostáticas. Los conectores restantes están ubicados dentro del compartimiento de la batería y no necesitan protección. El chip (DA2) es un controlador de carga para la batería de iones de litio G1 con un voltaje máximo de 4,2 V. La resistencia R9 reduce la caída de voltaje en este chip durante la carga, lo que hace que se caliente. La resistencia R10 establece la corriente de carga máxima Isal.max de acuerdo con la fórmula Ipor ap.máx. = 1000/R10. Con la resistencia R10 especificada en kiloohmios, el valor de la corriente de carga se obtiene en miliamperios. Se recomienda cargar una batería de iones de litio con una corriente no superior a 1C, donde C es la capacidad de la batería. La capacidad de la batería BL-5C utilizada es de aproximadamente 1000 mAh, la corriente de carga máxima permitida para el chip LTC4054ES5-4.2 es de 800 mA. Dado que la carga se realiza desde el bus USB, también hay que tener en cuenta su capacidad de carga (500 mA). Por tanto, el valor recomendado para R10 es 2 kOhm. Además, al medir el voltaje en R10, puede determinar el valor actual de la corriente de carga de la batería usando la fórmula Icargar= 1000UR10/R10 (corriente - en miliamperios, voltaje - en voltios, resistencia - en kiloohmios). Cuando el conector XS2 está conectado al bus USB, el transistor de efecto de campo VT1 desconecta la batería G1 del circuito de alimentación del reproductor. Un voltaje de 5 V desde el pin 1 del conector XS2 abre el transistor VT5, el voltaje en la puerta del transistor VT3 se vuelve negativo con respecto a su fuente. El transistor VT3 se abre y enciende el reproductor. Cuando no hay voltaje en el pin 1 del conector XS2, el potencial de puerta del transistor VT3 está cerca del potencial de su fuente y el transistor está cerrado. Al presionar el botón SB1 también se abre el transistor VT3, el microcontrolador comienza a funcionar y verifica el estado de este botón cada 10 ms. Si se mantiene presionado durante más de 2 s, el microcontrolador pondrá el nivel de voltaje alto en la base del transistor VT2, abriéndolo y manteniendo abierto el transistor VT3. Después de esto, el reproductor entra en condiciones de funcionamiento y se puede soltar el botón. Apague el reproductor presionando y manteniendo presionado el botón SB1 nuevamente. Después de encenderlo, el microcontrolador inicializa la pantalla LCD HG1 y la tarjeta microSD insertada en el soporte XS1, verifica la presencia del archivo de configuración player.ini en el directorio raíz de la tarjeta (se admiten los sistemas de archivos FAT12, FAT16, FAT32). Este es un archivo ini normal, que es un conjunto de líneas clave-valor. Almacena información sobre el archivo de audio seleccionado para reproducir en el momento en que se apagó previamente el reproductor, su posición en el mismo y el volumen establecido. El programa intenta restaurar este estado. En caso de fallo (por ejemplo, si se ha sustituido la tarjeta), se busca el primer archivo de audio de la tarjeta (con la extensión de nombre .mp3 o .opus). La búsqueda comienza desde el directorio raíz, los archivos se ven en el orden en que aparecen en la tabla de asignación de archivos disponible en el mapa. Durante la reproducción, se llama periódicamente a la función MainThread del decodificador actual, que, según sea necesario, realiza la lectura de la tarjeta (cada códec es responsable de almacenarse en el búfer, ya que los formatos contenedores para paquetes de audio son diferentes para .opus y .mp3) y descodificación. La necesidad de realizar estas operaciones está determinada por la plenitud del búfer cíclico AudioBuffer, desde el cual el códec de audio lee información de forma asíncrona. Cuando se completa la decodificación del archivo de audio actual, se busca el siguiente según el principio descrito anteriormente. Si se completa el recorrido del sistema de archivos, la reproducción se detiene. El reproductor interactúa con el usuario mediante una pantalla LCD gráfica monocromática HG1 con una resolución de 96x65 píxeles y botones SB 1 -SB 17. Se utiliza una simulación de software del modo de visualización de texto con la pantalla dividida en ocho líneas de 8 píxeles de alto. La barra horizontal restante de 1 px en la parte inferior de la pantalla se usa para mostrar visualmente la posición actual en el archivo durante la reproducción. La primera línea desde arriba muestra (de izquierda a derecha) el voltaje de la batería, el estado del reproductor y el volumen. El estado se caracteriza por los símbolos "0" - reproducción, "-" - pausa, "<<" o ">>" - avance o retroceso rápido, respectivamente, dentro del archivo. Un símbolo rectangular significa un error de comunicación entre los microcircuitos DD1 y DD2 a través de la interfaz I2C. Las líneas 2 a 6 muestran la ruta completa al archivo de audio que se está reproduciendo. La línea 8 muestra el tiempo de reproducción actual a la izquierda y la duración del archivo de audio a la derecha. El botón SB1 cambia los modos de reproducción y pausa, el botón SB3 aumenta el volumen y el botón SB5 disminuye el volumen, el botón SB4 se enciende y el botón SB15 desactiva el bloqueo del teclado. Cuando el teclado está bloqueado, se muestra "Bloqueado" en el centro de la línea 7 de la pantalla. Al presionar el botón SB6 se reproduce el archivo anterior y al presionar el botón SB8 se reproduce el siguiente. Al presionar y mantener estos botones durante más de un segundo, el reproductor se pone en modo de avance rápido, respectivamente hacia atrás o hacia adelante. Al presionar el botón SB9 o SB11 se cargan el primer y último archivo del directorio actual para su reproducción, respectivamente. El conector XS3 es un conector disponible en la carcasa usada para conectar unos auriculares de microteléfono. En el propio auricular hay una toma para un conector de audio estándar con un diámetro de 3,5 mm, al que se conectan los auriculares. El auricular también tiene un botón que conecta los circuitos BTN y GND cuando se presiona, y la resistencia entre los contactos del botón liberado es de aproximadamente un kiloohmio. En el reproductor, la línea BTN está conectada al circuito de 3,3 V a través de la resistencia R21, por lo tanto, midiendo el voltaje en esta línea, se puede juzgar la presencia de un auricular conectado y el estado de su botón. La función del botón del auricular es similar a la función del botón del reproductor SB1: puede cambiarlo del modo de reproducción al modo de pausa y viceversa, así como apagarlo. Sin embargo, no puedes encender el reproductor usándolo. Cuando el teclado está bloqueado, el botón del auricular permanece activo. El conector XS2 reemplaza la lente de la linterna LED en el teléfono. Cuando se detecta un nivel lógico alto en la entrada PA1 del microcontrolador conectado al pin 9 de este conector, el programa comienza a mostrar la corriente de carga de la batería en amperios en la esquina superior derecha de la pantalla. Además, este evento enciende automáticamente el reproductor si estaba apagado. De forma predeterminada, el reproductor funciona en modo de reproducción normal, lo que le permite escuchar música y cargar la batería al mismo tiempo. Cuando presiona el botón SB13, el programa guarda el estado del reproductor en el archivo player.ini y configura el módulo USB del microcontrolador para operar en modo MSC (Clase de almacenamiento masivo). En este modo, el ordenador reconoce el reproductor conectado al conector USB como un dispositivo de almacenamiento extraíble cuyo contenido coincide con el grabado en la tarjeta microSD insertada en el reproductor. El intercambio de información con una computadora se produce solo en modo Full Speed con un ancho de banda de no más de 12 Mbit/s. La pantalla aún muestra el valor actual de la corriente de carga, en la línea 3 - la inscripción "Disco USB", en las líneas 4 y 5 - la velocidad de lectura y escritura, respectivamente. Al presionar el botón SB12, el dispositivo vuelve al modo reproductor. En la figura se muestra un dibujo de la placa de circuito impreso del reproductor. 2. Sus dimensiones y forma se eligen para que sean idénticas a la placa de circuito del teléfono celular NOKIA 1100, en cuyo caso se coloca (Fig. 3). La placa debe fabricarse utilizando tecnología con orificios metalizados; de lo contrario, se deben insertar y soldar trozos de alambre estañado por ambos lados en todos los orificios pasantes (con almohadillas de contacto en ambos lados de la placa). La disposición de las piezas en el tablero se muestra en la Fig. Escala 4 en 2:1. También muestra máscaras fabricadas con barniz aislante resistente al calor, que deben utilizarse para proteger los conductores impresos. Si no se aplican máscaras, entonces es necesario aislar al menos las áreas donde los conductores se acercan a los contactos impresos de los botones y el área debajo del cuerpo metálico del portatarjetas microSD XS1.
Los códigos del archivo walkgeek-v1.2-n1100-with-mp3.hex adjunto al artículo deben ingresarse en la memoria del microcontrolador instalado en la placa. El código fuente del programa reproductor y todos sus componentes se distribuye bajo la Nueva Licencia BSD (y otras compatibles), lo que permite su uso en proyectos comerciales cerrados. La excepción es la biblioteca Mp3dec, cuya inclusión en el producto final requiere la divulgación de todos los códigos fuente. El proyecto se actualiza constantemente y sus versiones actualizadas se publican en [1]. Como ya se mencionó, el reproductor ofrece la posibilidad de reproducir archivos en formato Opus. Se trata de un códec de software [2] lanzado recientemente en una versión estable para la compresión de audio con pérdida, desarrollado dentro del proyecto Xiph.org, conocido por soluciones como Vorbis, FLAC (Free Lossless Audio Codec) y Speex (códec de voz). También puede llamar a Ogg, un contenedor de medios universal que se utiliza de forma predeterminada para empaquetar una secuencia comprimida en archivos Opus. Dado que el códec Opus es bastante nuevo, no hay muchas implementaciones del mismo en sistemas con poca RAM. Uno de ellos es Rockbox. En el proceso de trabajar con el códec, resultó que la biblioteca Ogg asigna dinámicamente memoria para almacenar en caché toda la página (el tamaño máximo teórico es 65 KB, real, alrededor de 26 KB), así como para almacenar en caché granulepos de todos los paquetes de páginas ( unos 16 KB), que es para el dispositivo, tener 192 KB de RAM es mucho. Además, de forma predeterminada, la biblioteca asigna una pequeña área de memoria para el búfer de página, expandiéndola durante el funcionamiento y asignando cada vez memoria "con reserva". Lo mismo sucede con el búfer para valores de encaje: información sobre la distribución de paquetes en la página. Por lo tanto, si el grupo de memoria dinámica es pequeño, esto pronto conduce a una fragmentación significativa y a la imposibilidad de asignar más memoria del tamaño requerido. Como resultado de los cambios realizados en las bibliotecas, el almacenamiento en caché se realiza a nivel de paquete (el tamaño máximo de un paquete de información estéreo transmitido a una velocidad de 512 Kbps es en la práctica de 1276 bytes). El tamaño máximo del búfer para valores entrelazados es de 256 celdas de doble byte, y también se pueden convertir en un solo byte. Por lo tanto, todas las estructuras asociadas con el contenedor Ogg, después de la modificación, ocupan menos de 2 KB de RAM. Se hicieron algunas suposiciones durante la modificación: los paquetes no pueden cruzar los límites de las páginas, las sumas de verificación de las páginas no se verifican (ninguna de estas se encontró en ninguno de los archivos Opus). No se ha probado el trabajo con archivos que contienen más de una secuencia y con un número de canales distintos de dos. La cantidad total de memoria consumida por el códec Opus es de 65088 bytes, de los cuales 3856 bytes están ocupados por el búfer de salida. Los resultados de la creación de perfiles de códec a diferentes velocidades de flujo de información se muestran en la Tabla. 1. Tabla 1
El término "complejidad" aquí se refiere al rendimiento del procesador necesario para una decodificación exitosa. Se evaluó simplemente contando, utilizando un temporizador de hardware, la diferencia entre los momentos de entrada al procedimiento de decodificación de cada cuadro y salida del mismo (con la multitarea preventiva deshabilitada y las interrupciones deshabilitadas). La prueba mostró que el códec MP3 requiere menos esfuerzo computacional. Pero Opus está libre de regalías y la calidad del sonido al usarlo es mejor que al usar MP3 con la misma velocidad de bits. Existe una versión del programa reproductor para la placa de desarrollo STM32F4DISCOVERY, los códigos que deben ingresarse en la memoria del microcontrolador instalado en ella se encuentran en el archivo walkgeek-v1. 1 -stm32f4discovery-with-mp3.hex (también adjunto al artículo). En este caso, los archivos de audio se reproducen desde una unidad FLASH USB conectada al conector CN5 de la placa mediante un adaptador. El jugador actúa como Maestro de bus USB. Su estado se muestra mediante LED naranja, rojo, azul y verde en la placa. El rojo indica ausencia, el verde indica la presencia de una unidad FLASH conectada, el naranja indica que se está cargando un archivo de audio, la reproducción se ha detenido o hay un error en el programa, el azul parpadeante indica el modo de reproducción. La mayoría de los botones que se muestran en el diagrama de la Fig. 1, conectado a la placa de depuración según la tabla. 2 (el segundo contacto de cada botón está conectado al cable común). La función del botón SB8 la realiza el botón "Usuario" del tablero. La pantalla del teléfono NOKIA 1100 está conectada a la placa de depuración de acuerdo con la tabla. 3. Tabla 2
Tabla 3
Literatura
Autor: O. Tsaregorodtsev
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