基于EVK1105和UC/OS-II操作系统的自主能量开发(三)

3.1 系统功能实现原理

该系统为实现自主能量采集以及多用户播放器的功能，以主控制芯片AT32UC3A为核心，综合运用液晶显示、多通道控制电路、用户接口、内存及外部存储设备和电源等部分来实现系统功能。基本的系统硬件结构框图如下：

图2 系统硬件结构框图

系统各个部分相互协调，以实现系统的总体功能，以下是系统各个组成部分的实现原理：

3.1.1 主控芯片功能

该系统的主控芯片为AT32UC3A，之所以采用该芯片作为该系统的主控芯片，因为该芯片有以下性能：

1、强大的音频处理能力：AVR32微控制器的核心是AVR32 CPU内核，其特点是提供了一系列覆盖面较广、往往只在高端CPU和DSP上才有的指令。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。

2、高性能的D/A转换器：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。

3、丰富的外部连接：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，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，其中三种最受欢迎的就是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，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。

关于主控芯片及平台的具体信息将在后文中介绍。

3.1.2 能量采集模块

太阳能采集

目前的太阳能采集技术比较成熟，该系统中利用太阳能电池作为采集太阳能的装置，并将其转换成电能。简要的工作原理图如下：

图3 太阳能采集原理图

该部分的核心为充放电控制器，在阳光充足的情况下太阳能电池阵列吸收光能并产生电能，充放电控制器将该电能充入蓄电池组，同时为播放器提供必要的电能。在阳光不充足的情况下，充放电控制器则从蓄电池组提取能量供给播放器。

振动能量采集

当前振动能量采集技术有多种，该系统中利用最传统的做法，即使用一块悬挂的磁铁，将线圈放置在一个变化的磁场中产生电磁感应，发电机则通过电磁感应来完成能量转换。

图4 震动能量采集原理图

该部分核心仍为充放电控制器，振动能量转换装置转换的能量通过充放电控制器存储在蓄电池中或给播放器供电，若无振动情况下，则直接使用蓄电池给播放器供电。

3.1.3 播放器功能模块

MP3解码电路

音频以数字信息的格式存储在介质中，因此在播放歌曲的时候要利用音频解码电路进行转化，将数字量转化为模拟量并输出，因此需要MP3解码电路以实现这一功能。最常见的MP3音频解码电路由音频解码器，可变采样率ADC和立体声DAC，耳机放大电路构成。而AT32UC3A芯片集成的强大功能可以实现解码电路的大部分功能，因此，只需要再加入一个很小的功放来产生线路输出、耳机输出或扬声器所需要的电平。

多通道控制电路

该播放器设计有面向多用户的功能(最多4用户)，该功能主要由多通道控制电路来实现。在该功能中，采用分时多缓冲技术：首先把时间分为很小的时间片段，时间段的个数等于通道个数，每个时间片段响应不同的歌曲情切，主控芯片根据请求读取FLASH存储器中的数据，并将其按请求顺序放入内存，并送给解码器，解码得到的信号经4路高速控制开关选通4个音频输出口。因为时间间隙很小，人耳无法分辨，所以保证了歌曲播放的完整性。其简要原理图如下：

图5 多通道控制原理图

储存单元

该系统的储存单元主要有外部存储器接口、SRAM内存、FLASH存储和USB接口。

外部存储器接口

考虑到硬件平台内置存储空间较小的问题，并结合主控芯片AT32UC3A的外部接口特点，该系统采用外部存储器来储存歌曲，该存储器可以是高速大容量的SD卡或USB记忆棒。

SRAM内存

该部分作为系统的内存，用于处理和运算，保证系统的正常运行。

FLASH存储

FLASH存储设备用于存放系统的控制程序。

USB通信接口

系统提供USB通信接口以方便系统与外部设备的互联，该USB接口可以用于下载歌曲等操作。

3.1.4 电源管理

该部分主要包括四个部分：电池、充放电控制器、太阳能能量采集电路和振动能量采集电路，在充放电控制