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1、第2 1 卷 第2 期 2 0 1 1 年6 月 洛阳理工学 院学报(自然科学版)J o u r n a l o f L u o y a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)VO 1 2 l No 2 J u n 2 0 1 1 基于S P I 协议的音频解码芯片VS 1 0 0 3 的读写机制及实现方法 李媛，吕 广申 ，李笛(1 商丘师范学院物理与信息工程系，河南 商丘 4 7 6 0 0 0；2 河南有线电视网络集
2、团 有限公司洛阳 分公司，河南 洛阳4 7 1 0 0 0)摘要：介绍了一种基于s P l 协议的音频解码芯片V S 1 0 0 3，详细介绍TVS 1 0 0 3 芯片的读写机制，并给出了VS 1 0 0 3 与单片机I L P c 2 l 3 l 的接 口电路图，重点介绍了如何采用V s l o 0 3 的s c I 和s DI 实现与L P c 2 1 3 l 通信的软件流程图。关键词：VS 1 0 0 3；S P I；L P C 2 1 3 1；S CI；S D I D Oh1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 6 7 4 5 0 4 3 2 0 1 1 0 2 0 1 5
3、中图分类号：T P 3 3 4 2 文献 标志码：A 文章编号：1 6 7 4 5 0 4 3(2 0 1 1)0 2 0 0 5 6-0 4 随着电子消费产 品的快速发展，音频播放器在各种场合的需求也 日益增长，随之而呈现的音频播放 器 的设计方案也越来越 多，其 中主要的设计方案有3 种：自身集成有解码模 块的控$1J MC U专用芯片、D S P 软件解码和主控MCU J J I 上一个专用 的解码芯片。基于成本、音质和功耗的综合考虑，采用一种 基 于S P I 协议的解码芯片VS 1 0 0 3 来实现音频解码功能，处理器选用AR M处理器L P C2 1 3 1 作为控制MC u，存
4、储介质选用S D卡来实现音频播放功 能。本设计的音频播放过程是L P C2 1 3 1 通过S P I I 接 口将音频数据 从S D卡中读出，然后再通过S P 1 0 接 口传送至V S 1 0 0 3 进行解码播放，在此V S 1 0 0 3 解码模块单独使用一个 S P I 接 口，以减少干扰和噪音，提高音质。在此研究基于L P C2 1 3 1 1 2 处理器的S P I 接 口，以实现VS 1 0 0 3 的驱动。1 V S 1 0 0 3 芯片功能简介 V S 1 0 0 3 p 是芬兰VL S I 公司生产的一款单芯片的MP 3 WMA MI D I 音频解码芯片，内部包含一个高
5、性 能、低功耗的DS P 处理器核VS D S P，一个工作数据 内存，一片可供用户使用的5 5 k B 的R A M，一个 串行 的S P I 总线接 口，一个高质量的采样频率可调的过采样D AC以及一个 1 6 位 的过采样A D C。VS 1 0 0 3 的内部 结构框图如图l 所示。图1 V S 1 0 0 3 的内部结构框图 s D 叮如 口 s I C v 廿 o s L K R X 江 T x E T 0 口 -1 r 口 R 田 A V D O 茹C B s Y N E L 盱可 X T i 外l叫t R IG H T X 1 2 V C O H 1 6P l D D G P
6、I D 1 U N E B G R O 2 0 已K G 吐，S n A T A P C P T E 5 T A B N D 收稿日期：2 0 1 1-02 2 3 作者简介：李-b (1 9 8 3 一)，女，河南宜阳 人，硕士，助教，主要从事嵌入式技术方面的 研究。第2 期 李媛等 基于S P I 协议的音频解码芯片V S 1 0 0 3 的读写机制及实现方法 5 7 V S 1 0 0 3 的功能特性包括：1)解码 支持 MP E G1 和MP E G2 音 频第 三 层，支 持 CB R、VB R、AB R，MP 3+V，W M A，W AV，M I DI，S P M J DI；2)串
7、行控制接 口和 串行数据接 口；3)支持重音和倍频控制；4)内部时钟倍频器，且模拟部分、数字部 分和I O部分各部分单独操作电压。2 V S 1 0 0 3 的读写机制 V S 1 0 0 3 通过S P I 串行总线与主机进行数 据和 控制信息的交换，并且VS 1 0 0 3 的S P I 总线有两种 功 能特性：串行控制接 口(S C 1)和 串行数据接 口 (S DI)。V S 1 0 0 3芯片主要通过S C I 和S D 1 分别来 接收主机传送过来 的控制命令和音频数据。S CI 的数据传输长度固定为1 6 位，通过对S C!接 口的 1 6 个l 6 位寄存器进行读写操作来控,v
8、 s l 0 0 3；S DI 接口主要用来传输压缩的音频数据。V S 1 0 0 3的 S P I 接 口有 两 种 工 作 模 式：V S 1 0 0 1 兼容模式和 V S 1 0 0 2新模式 4】。为方便数 据 传 输，本 系 统 采 用 VS 1 0 0 2 新 模 式 且 S M S D I S H A RE 为0 的设置，故VS 1 0 0 3 的控制信号和 数据信号的传送分别 由XC S 和 X DCS 作为同步信 号。图2 和图3 分别描述 了S C I 读和写的命令工作“一一一 l 0 l 4 S 6 9 l n l 2 l 4 S 6 l，3 0 3 l 门 疆 门订
9、n几 nn nn n n n !6 I 二=薄 、p 甄 一 髫 0 !卫生 旦 卫)。C=X=)(三 图2 V S 1 0 0 3 的s c I 读命令工作时序图 、0 j 3 4 S 7 薄 9 1 0 l l l 2 i 3f t 6l 7 ，0 3 I j Vl f 1 f 1 1 门 门门门 n 以门 !003 二=：二)c(三 二 一 I 藉莓 i 一 ；藁 荔 。I _ 鹱 舔舔 0 0 0 0 0 o 00 0 B#O a 0 口0 0峨 一 r 一一一。一 一 0 抗行l 图3 V S 1 0 0 3 的S C I 写命令工作时序图 l 弋 一 s p 匿 陋鳓 D(薯 L
10、几 ：几 ，丌丌 门 ，_ 1 ：。_ ，门 n，图4 V S 1 0 0 3 的S D I 工作时序图 时序，由图所示S C I 命令 以XCS 作为同步信号，S C I 协议包括一个控制指令字节，1 个地址字节和1 个1 6 位 数据字，每次读或写控制可以操作一个寄存器，读命令和写命令控制指令固定为0 x 0 3 和0 x 0 2，VS 1 0 0 3 的 内部寄存器地址范围0 x 0 0 0 x 0 F，1 6 位数据字则是写入指定寄存器的数值或从指定寄存器读出的数值；图4 描述 了S D I T作时序，它 以XD CS 作为同步信号，随着时钟 的变化，根据S CI MOD E寄存器的设
11、置来判断 数据是先从高位还是低位送 出。作为从机工作模式，VS 1 0 0 3 通过一个信号线DRE O指示是否允许主机传送数据，当D RE Q为高 电平 时，VS 1 0 0 3 可 以接收至少3 2 字节的S D I 数据或者一个S C I 命令，反之，如果D RE Q为低，必须停止传送数 据给VS 1 0 0 3。所以V S 1 0 0 3 在接收数据期问，必须不断检测D RE O信号线的状态。3 V S 1 0 0 3 与L P C 2 1 3 1 的接口电路 V S 1 0 0 3 使用同步 串行总线S P!通信，而L P C 2 1 3 1 内部集成有S P I 总线控制器，在此使
12、用L P C 2 1 3 1 内部 的S P 1 0 实现与VS 1 0 0 3 的通信，故将VS 1 0 0 3 的S O、S I、S C L K直接与LP C2 1 3 1 的S P 1 0 控制引脚连接即可，其余4 条控制线X CS、XR E S E T、XD CS、D R E Q分别与L P C2 1 3 1 的P 0 口的4 个通用I O口连接便可实现 L P C 2 1 3 l 对解码芯片的控制。其接 口电路 如图5 所示。4 软件设计 4 1 S P I 初始化 由于V S 1 0 0 3 与L P C 2 1 3 1 在通信时是从机模式，故单片机L P C2 1 3 1 的S
13、P I 模式设置为主机模式，需要对 S P i 接 口进行初始化，其初始化函数 由v o i d S o i l n i t(v o i d)实现，其操作流程 图如 图6 所示。耐 洛 阳理工学 院学报(自然科学版)第2 1 卷 4 2 V S 1 0 0 3 的初始化 为了使VS 1 0 0 3 正常工作，必须对V S 1 0 0 3 的内部寄存器进行正确设置。VS I O 0 3 的初始化流程图如 图7 所示。VS 1 0 0 3 的初始化函数 由v o i d I n i t VS 1 0 0 3(v o i d)实现，该函数主要完成对VS 1 0 0 3 的功能控制，如软 复位、时钟、
14、采样率、音量控制、重音设置等，均是通过S C I 写入到V S I O 0 3 的特定寄存器来实现的。由于 VS I O 0 3 内部寄存器被配置完成后，对等待周期的时间要求 比较精确，必须精确 lJ ms 级，故本系统使用定 时器T i me r 0 中断来实现ms 级定时功能。VS 1 0 0 3 初始化过程 中设置寄存器的函数 由v o i d Wr i t e Re i s t e r(u n s i g n e d c h a r a d d r e s s b y t e，u n s i g n e d c h a r h i h b y t e，u n s i g n e d c
15、 h a r I o wb y t e)实现，其软 件流程 图如图8 所示。读 出VS 1 0 0 3 寄存器 中存储数 据 的 函 数 由 u n s i g n e d i n t Re a d Re g i s t e r(u n s i g n e d c h a r a d d r e s s b y t e)实现，其软件流程 图如图9 所示。4 3 VS 1 0 0 3 的测试 为确保VS 1 0 0 3 够准确接收数据，本系统采用 以下5 种测试方式来测试VS 1 0 0 3 是否可 以正确接收 数据。1)检查VS I O 0 3 的供 电电压是否正常。l 初始化S P 1 接口
16、 I配置控制引脚x cs X D CS、l X R E S E T、D R E Q 硬件复位vS l 0 0 3 设置寄 存器s P l 一 I O D E=0 x 0 4，I 软件复位V S 1 0 0 3 I 延时并等待D RE Q为高 J 设置V S 1 0 0 3 的时钟、采样率、立体声效果、重音及音量控制 寄存器 I 向V S 1 0 0 3 发送4 字节无效数 据，启动S P 1 传输 一8 0 l()v D D 里 o 6 s l 一P 0 ASC L K2 8一 一 P O；1 2 X CS 3 i T X 一 嚣 基 西 1)(凳 A VD D l o i G T D (=N
17、 p HA(S 鞋致嚣 O 图5 VS 1 0 0 3 与L P C 2 1 3 1 的接口电 l I拉低片选x(s I l 向 v s】O 0 3 发送写命令、指定寄存 器 的地址、写入寄存器的l 6 位数据 j l 拉高片 _ X C S I 拉 低 片 选 x c s I 向、l 0 0 3 发送读命令和指定寄 存器地址 I 发送读时钟，分别读取指定寄 存器的高八位数据、低八位数 据 I 拉高片选x C S I 返回读取的l 6 位数据 图6 S P I 初始化流程图 图7 V S 1 0 0 3 初始化流程图 图8 写寄存器流程图 图9 读寄存器流程图 一 第2 期 李媛等 基于S P
18、 I 协议的音频解码芯片VS 1 0 0 3 的读写机制及实现方法 5 9 2)检查模拟部分供 电电压是否正常：V S 1 0 0 3 的D V DD、AVD D、XRE S E T、T E S T管脚是否是3 0 V 供 电电压，RC AP 管脚工作 电压是否1 3 V 左右；如果测试电压值不对，芯片的模拟部分不能正常工作。3)S C I 测试：向音量控制寄存器S CI V OL 循环写入最大值O x O 0 0 0 与最小值O x f ff f，如果从耳机 中听 到滴滴的声音，说明S CI 命令被正确写入。4)测试 S C l 的读写是否一致。具体步骤：拉低片选X CS，设置音量控制寄存器
19、S CI VOL=0 x A 2 F 5，延时5 0 0 ms，等待D RE Q为高，然后读音量寄存器，验证读回的值是否为0 x A 2 F 5，如果读写一致，说明 S C I 读写正确，否则，说明S CI 读写有错误。5)S i n e 测试：硬件复位V S 1 0 0 3，主机发送一个字节的无效数据0 x ff，启动S P I 传输，设置模式寄存器 S P I MOD E的b i t S：S M TE S T S，进入测试模式，然后 向S DI 总线发送测试命令，测试命令包括8 个字节 的数据，其 中前4 个字节为命令代码，后4 个字节为0；如果写S DI 总线无误的话，可 以从耳机里听到
20、单一 频率的正弦音。一 上述测试工作在实际操作 中全部正常实现，证明VS 1 0 0 3 的S C I 和S D!可 以正常接收控制命令 和音频数据，fl O VS 1 0 0 3 被正确驱动。4 4 MP 3 文件的播放 完成 了S P I 和V S 1 0 0 3 的初始化，然后等待系 统从S D卡上打开指定 的MP 3 文件，MP 3 数据 流 通过S DI 接 口传送至解码器解码，VS I O 0 3 会根据 初始化时设置的S CI B A S S寄存器的 内容将解码 后的数据分别送入低音、高音增强器，之后送入 音量 控制 单元，然 后再送 入 音频 F I F O，音 频 F I F
21、 O锁存数据后，通 过音频 中断将数据通过采 样速率转换成同一速率，最后通过内部DA C被转 换成模 拟信 号。如 果 F I F O空 间足 够大 的话，VS 1 0 0 3 会 发 出一 个 高 电平DR E Q1 6 1 数 据请求信 号，表示可 以接 收至少3 2 k B的数据，如果输入 解码器的数据无效或者没有可解码的数据，寄存 器S C I HD AT O 和S C!HDA TI 被 设置为0，且模 拟输出做静音处理。图1 0 为播放一首MP 3 文件 的 软件流程 图。5 结语 开 始 从S D卡上打开一个MP 3 文 件 读取一个扇区5 1 2 字节的数 据到缓冲 区 发送3
22、2 字 节的数据到 VSl 0 0 3 向 N 发送 下一个3 2 字节 数据到 VS 1 0 0 3 否发送完5 J 字节?l Y 发送完该 文件?1 Y 关闭打开的MP 3 文件 结 束 图l 0 播放一个MP 3 文件的流程图 采用VS 1 0 0 3 解码芯片实现 了播放MP 3 文件的功能，通过S P!总线可实现与单片机的接 口设计，电路设 计简单且控制程序容易编写，对于不带硬S P I 接 口的微处理器可 以使用l O口模拟实现S P I 时序，从而实现 与VS 1 0 0 3 的通信。鉴于V S 1 0 0 3良好 的音频解码功能及较低的功耗，在车载音 响和汽车 电子方面将有 良
23、好 的应 用前景。参考文献：I l I 李宁，熊刚，徐良平 基于C o r t e x M3 的MP 3 播放器设计 J f 单片机与嵌入式系统应用，2 0 0 9，2：4 8-4 9 1 2 l 周立功 深入浅A R M7 L P C 2 1 3 x 2 1 4 x(_ E)l MI 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 5：1 2 5 1 5 0 1 3 1 VSL I S o l u t i o n Oy VS I O 0 3 Da t a S e e t Ve r s i o n 1 0 2 J I VS L I 2 0 0 6 7：1-4 0 4 l 彭华成。许晓晖 基于L P
24、C 2 2 1 4 与u C OS l I 的音频处理方案l J 1 单片机与嵌入式系统应用，2 0 0 6，8：4 5 4 6 I 5 I 李域 辛修芳 基于L P C 2 1 3 1 的S D 卡MP 3 播放器的设计 佳木斯大学学 报：自然科学版，2 0 1 0 2 8，4：5 4 2 5 4 3 I 6 I 丁建良 吴强，吴东兴 基于N I O S I I 和V S 1 0 0 3 的嵌入式MP 3：r 3 k 器I J I 科技信息，2 0 1 0，2 1：8 1 8 2 (下转第7 5 页)第2 期 张晓刚等 一种类 L o r e n z 系统与L o r e n z 系统 的异
25、结构混沌 同步 7 5 采用Ma t l a b 仿真，在给定系统参数=l 0，b=4 0，c=2 5，h=4，k=l，d=0 4；q=l c，j=8 3，c 1=2 8取系统(5)和系统(6)初值分别为(1，3，6)和(2 2，4，3 8)。图3 给出了系统的误差曲线。从图中可以看出 控制律(4)可以使系统快速实现 同步，同时系统的最终误差将趋于零。4 结语 l 二 l 图3 误差随时间的演化过程 主动控制法和L y a p u n o v 函数直接法是将数值法与解析法相结合，在稳定性理论 的基础上提 出的。利 用这两种方法实现了一种类L o r e n z 系统和L o r e n z 系
26、统的异结构同步，其理论分析和数值仿真表 明控制 同 步的过程短暂。这两种同步方法易于掌握，易于操作，是两种必须掌握的基本 的同步方法。参考文献：1 C a r r o l T L，P e c o r a L M S y n c I I r o n i z a t i 0 n i n c h a o t i c s y s t e ms J P h y s i c s Re v i e w L e t t e r，1 9 9 0，6 4(8)：8 2 1-8 2 4 【2 1 卢殿臣，宋娟，田立新 不同系统之间的混沌同步I J 1 江苏大学学报：自然科学版，2 0 0 6，2 7(3)：2 8
27、3-2 8 6 1 3 J 张正娣，田立新 C h n a s 系统的追踪控制与同步I J J 江苏大学学报：自然科学版，2 0 0 3，2 4(6)：9-1 2 4王琳，倪樵，刘攀，等 一种新的类L o r e n z 统的混沌行为与形成机制 动力学与控制学报，2 0 0 5，3(4)：1-6 【5 I 蔡国梁，黄娟娟 超混沌Ch e n 系统和超混沌R s s l e r 统的异结构同步 物理学报，2 0 0 6，5 5(8)：3 9 9 7-4 0 0 4 【6 l6唐滟方建安 异结构混沌系统同步控制的仿真研究 复杂系统与复杂性科学，2 0 0 6，3(4)：1 1-1 8 I 7 J
28、马知恩，周义仓 常微分方程定性与稳定性方法I MI 北京：科学出版社，2 0 0 1 On t h e S y n c h r 0 n i z a t i o n B e t we e n L or e n z l i k e S y s t e m a n d Lo r e n z S y s t e m ZHANG Xi a o g a n g，KANG Ta i p i n g，ZHA1 Ha i-f e n g，W ANG Zo n g f e n g (S c h o o l o f Ma t h e ma t i c s，P h y s i c s a n d t h e S o
29、f t wa r e En g i n e e r i n g，La n z h o u J i a o t o n g Uni v e r s i t y，La n z h o u 7 3 0 0 7 0，Ch i n a)Ab s t r a c t：Two di ffe r e nt me t ho ds ac t i ve c ont r o l a nd Lya puno v di r e c t me t h ods ha ve be e n u s e d t o r e a l i z e t he s y nc hr o ni z a t i O n be t we e n
30、Lol e n z l i k e s y s t e m and Lo r e nz s y s t e m whi c h po s s e s s e s r i c h dyn ami c phe no me non Al s o di ffer e nt c o nt r o l l e r s ha ve be e n de s i gn e d t o ob t a i n t h e s ync I l r O ni z at i On be t we e n r e s p ons e s y s t e m an d dr i v e s ys t e m M a t l
31、a b has be e n ad op t e d t o c ar r y o ut nume r i c al s i mu l a t i o n an d r e s ul t s s h ow t ha t t h e me t ho d i s f e as i bl e Ke y wo r ds：Lo r e nz-l i ke s ys t e m；cha o s a t t r ac t o r s；s yn cl l r O ni z a t i on c on t r ol；a c t i ve c o nt r o l me t ho d；Lyap uno v S d
32、i r e c t met ho d (上接第5 9 页)Re ad-W r i t e M e c ha ni s m of SPI Pr ot o c ol ba s e d Audi o De c o de r Chi p VSI O0 3 an d I t s I mpl e m e n t a t i on M e t h o ds LI Yu an ，LV Gua ng s he n ，LI Di (1 S h a n g q i u N o r ma l Un i v e l s i t y，S h a n g q i u 4 7 6 0 0 0，C h i n a；2 He n
33、 a n CATV Ne t wo r k Gr o u p Co LTD，Lu o y a n g 4 7 1 0 0 0，Ch i n a)Ab s t r a c t：A k i n d o f SP I p r o t o c o l b a s e d a u d i o d e c o d e c h i p VS 1 0 0 3 h a s b e e n p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r M e a n wh i l e，i t i n t r o d u c e s t h e r e a d wr i t e me c h a
34、n i s m o f VS I O 0 3 c h i p i n d e t a i l，g iv e s t h e i n t e r f a c e c i r c u i t o f VSI O 0 3 a n d LP C2 1 3 1，a n d fi n a l l y c o n c e n t r a t e s o n s o f tw a r e f l o w c h a r t wh i c h i S t o s h o w b o w t o ma k e u s e o f S CI a n d S D1 0 f VS1 0 0 3 t o a c h i e v e c o mmu n i c a t i o n wi t h t h e LP C2 1 3 1 Ke y wo r d s：VSI O 0 3；S P I；LPC2 1 3l；S CI；S DI 叫 0