基于EVK1105和UC/OS-II操作系统的自主能量开发

一、项目概述

    1.1 引言

    该系统基于EVK1105平台和UC/OS操作系统进行制作和开发，以太阳能和振动能量作为系统主要的能量来源，并通过低功耗的电路实现节约能源、保护环境的理念。系统所有电源提供的电能用来提供给一个音乐播放器（MP3），该播放器以无线双向通信方式与耳机连接，并且支持多用户同时利用该播放器听不同的内容，实现多用户的播放功能。

    1.2 项目背景

    1.2.1      新能源技术

    随着世界能源危机的不断发展，以及科学进步的不断进步，石油、煤和天然气等这些矿物资源不再是人类唯一的能量来源。人类意识到矿产资源的有限性以及地球本身的巨大能源潜力。环境保护、节约能源、开发新能源日益成为全球科技工作者共同关注的问题，同时这一目标和思想也深入到了所有人的意识当中。

    在面对能源危机最初的阶段中，人们试图通过减少人类活动中的能量消耗（即低功耗）的方法来解决能源，于是产生了一系列方案，例如：对工厂、作业现场能源管理的各种条例进行了整合；在运输领域引进节能方案；强化对建筑物的节能管理；生产节能冰箱、汽车等日用产品。

    但是一味地减少能源消耗的方法是不足的，因此人类开始开发新能源以弥补矿产能源不足所带来的能源危机，其中，这些能源包括：核能、太阳能、水力、风能、废弃物发电、海洋热能、生物发电、绿色能源汽车、燃料电池等。这些新能源的开发在一定程度上缓解了对矿产能源的消耗。之后，随着科技的不断发展，又产生了人工光合作用固定二氧化碳、利用化学物质的生物分解技术、再生能源技术、化石燃料应用技术、能源输送与储存技术、系统化技术、基础性节能技术、高效与革新性能源技术、环境技术等一系列专门的技术。

    由此可见，节约能源成为当今能源使用的一大主题，并且与之相关的各种科学技术也越来越受广泛关注。

    1.2.2      太阳能采集技术

    太阳能作为一种重要的新型能源，在目前的新能源开发进程中有着广泛的应用和很好的利用价值。太阳能是可再生能源，取之不尽，用之不竭，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。通过测量和计算，地球获得的太阳发出的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/㎡，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102000TW 的能量。

    同时，太阳能在能源技术中也有着广泛的应用。除了太阳能热水器、光生物利用、光化学分解等用途之外，太阳能也大范围地被运用到发电之中。目前太阳能发电的应用技术已经日趋成熟，已获得应用的主要有以下两种。

    1、光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。

    2、光—电转换。其基本原理是利用“光生伏打”效应将太阳辐射能直接转换为电能，它的基本装置是太阳能电池。

    太阳能电池的基本原理是由半导体硅材料构成P-N结，并制作成太阳能电池。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

    因此，利用发展较为成熟的太阳能技术成为该项目的一个重要部分。

    1.2.3      振动能量采集技术

    振动能量采集技术作为一种新型的能量采集方式，现在正越来越受到广泛关注，并且逐渐得到应用。在热电、光电和振动等多种新型能源中，振动的能量转换效率最高，而现在的微处理器和传感器的低功耗化，也使振动能量更加有用武之地。

    目前，将振动能量转换为电能的技术逐渐趋于成熟，主要的方式有以下几种：

    1、最传统的做法：和大型发电厂的发电机组相似，利用电磁感应原理，将磁铁悬挂在线圈中，系统振动时则会产生电磁感应现象，从而产生电能。

    2、压电转换方式。使用压电元件，施加压力后会产生相应电压，从而将振动能变成电能。该元件虽然作为检测压力的传感器已得到广泛使用，但是随着能量采集技术的发展，压电元件被赋予了全新的用途。

    1.2.4      音乐播放器技术

    MP3既指一种数字音乐，也指一种音频压缩技术，即将原来的音频压缩成很小的音乐文件，正是这种小型文件形式的诞生，使得人们的日常生活发生了一次革命性的变化。

    从第一款硬盘式的MP3开始（可以支持MP3、WMA和MAV三种格式），一直到如今的中文触摸式MP3以及拍照MP3的诞生，MP3作为一种音乐播放器，其音质和可以支持的音乐文件格式以及存储空间的大小都有了很大程度的发展。

    因此，日渐成熟的MP3技术也成为项目组提出该方案的一个重要背景。

    二、需求分析

    2.1 功能要求

    该系统为一个可以通过太阳能和振动采集能量的多用户播放器，即通过太阳能和振动采集能量，并同时有进行多用户通道的音乐播放功能。围绕这样的总体系统功能，该系统具有以下各个功能：

    2.1.1      能量采集

    1、太阳能采集

    系统自带的太阳能板可在有光的情况下不断为系统提供电能。在播放的同时可以将播放器放在太阳下进行充电，在不使用的时候也可以在阳光下进行充电，并将电能储存在电池中，以便以后使用。

    2、振动能量采集

    利用振动能量转换装置，当用户带着播放器走路或者跑步的时候，可将振动能量转换成电能，给播放器供电或储存在电池中，方便以后使用。

    2.1.2      播放器功能

    1、多用户播放

    该系统中加入多用户播放功能，即同一台播放器可以同时满足不同用户的需要。通过多个通道，播放器可以为多个不同的用户播放他们各自所选择的歌曲。这一功能打破了音乐播放器只能进行单首歌曲播放的限制，使得多个用户可以同时分享同一台音乐播放器。

    2、无线双向通信

    该系统中加入了无线的双向通信功能，主要用于播放器与用户使用的耳机之间的通信。这样用户可以在室内活动的时候，可以将播放器的主体部分放到阳台、院子这种可以充分接收到阳关的地方以获得更多的能量，而只把小巧轻便的耳机带在身上。考虑到用户可能需要随时对播放器的播放状态进行调整，因此该系统的无线双向通信是必须的，因为在双向通信的前提下，用户可以不用借助播放器，而只在耳机上就可以完成换歌、调节音量等工作。

    3、低功耗，节电

    除了高效的能量采集装置，对于系统本身还设计了较强的低功耗的节电功能。

    在硬件方面，除了采用的EVK1105平台的低功耗特点，在外设的选用，如用户耳机，遥控器等器件，均采用CMOS器件以减少整体的功率消耗。

    在软件方面，加入系统睡眠功能。因为系统不需要不停的运作，当系统处于等待用户触发的时间里自动进入睡眠状态。当用户需要使用播放器时，对系统的人为控制就会引起软件上的中断触发，使得系统进入工作状态，以此来降低系统功耗。

    4、液晶显示

    该系统吸收了传统的音乐播放器的优点：利用液晶显示器将播放器的播放状态，如歌曲、音量和歌词等信息显示出来，让用户可以实时了解到系统的状态，以便根据自己的喜好和需要对系统状态进行调整。

    5、辅助寻找

    该系统针对人们日常生活中经常遇到的不便设计了相关的人性化功能。人们在生活中经常会遇到找不到手机，手表等这种便携式产品。因此，当用户只带着耳机而把播放器放到某个地方充电的时候，就可能会出现难以找到播放器的情况，为了防止这种情况的出现，该系统加入了辅助寻找功能，用户只需按下耳机上的寻找按钮，播放器就会发出声音应答，方便寻找。反过来，如果用户找不到耳机的时候，就可以按下播放器上的寻找按钮来找寻耳机。

    2.1.3      系统架构

    为了实现以上各个系统的功能，并实现软硬件的协调，该系统的整体架构图如下：

    该系统使用UC/OS-II操作系统作为软件功能的基础，并以此实现用户界面处理、数据处理、用户管理、通信处理、内存管理和设备控制。以该操作系统的功能配合电源模块、EVK1105平台、蓝牙耳机、外部存储和通道控制等硬件实现系统的整体功能。

    2.2 性能要求

    2.2.1      能量采集效率

    该系统的能量采集性能如下表：

   2.2.2      播放器性能

    除了功率采集的性能之外，该系统的播放器部分的主要性能如下：

    三、方案设计

    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：

    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：

    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。

    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：

    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，在充放电控制器的控制下，实现个部分的协调供电，同时利用AT32UC3A芯片的电源管理，使系统实现最低功耗。

    3.2 硬件平台选用及资源配置

    3.2.1 硬件平台选择

    该系统选用EVK1105作为平台进行相关的研发和制作工作，理由如下：

    1、其主控芯片强大的音频处理功能

    EVK1105硬件平台采用了AVR高性能32位微控制器AVR32，而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，同时UC3A器件还可处理两个音频接口。在高质量立体声输出方面，该芯片集成了一个内置FIR和Comb滤波器的立体声16位比特流音频DAC;至于4声道或全环绕声，则可利用IIS接口来连接外部音频编解码器。两个接口均由利用AVR32 外设 DMA 控制器的驱动器提供支持，能够大幅减少 CPU 开销。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，这大大的增强了系统性能和稳定性。

    2、良好的存储器选择范围

    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。但是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。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，这便为音乐文件的存储提供了海量的空间。

    3、非常低的功耗

    AVR32系列的功耗不到2.0mW/MHz，因而只需两块AA电池，就能持续150小时的音频播放。而在只有实时时钟运行的待机模式下，同样的电池可维持9年多的时间。

    4、丰富的外部接口

    EVK1105还提供了大量的外设和接口，比如高保真音频接口、10/100以太网口、无线模块接口、外联接口、麦克风、数模转换和液晶显示器。这大大的简化了电路的设计，提高了系统的稳定性。

    因此，我们决定使用EVK1105作为本音乐播放器的硬件平台。

    3.2.2 EVK1105的详细功能

    EVK1105的硬件平台结构如下：

    EVK1105硬件平台资源介绍及其配置：

    CPU：AT32UC3A0512主要特性如下

    高性能，低功耗AVR32UC 32位微控制器

    精简单周期RISC指令集，含DSP指令集

    “读-改-写”三步操作和位元处理操作

    1.49 DMIPS/MHz性能表现

    在FLASH中66 MHz下，高达91 DMIPS的运行速度(1等待状态)

    在FLASH中33 MHz下，高达49 DMIPS的运行速度(0等待状态)

    内存保护单元

    多层次总线系统

    通过为提高性能而设的独立总线上，实现高性能数据传输

    15个外设DMA通道，提高外设通信速度

    512K Bytes

    单周期访问速度高达33 MHz

    预取缓冲，优化了指令执行效率，达到最高速度

    4ms页面编程时间和8ms整片擦除时间

    100,000次写周期，15年数据保存能力

    FLASH安全锁定和用户自定义配置区

    64K Bytes

    兼容SDRAM/SRAM存储器总线(16位数据总线和24位地址总线)

    自动向量低延时中断服务，带可编程优先级

    电源时钟管理，含内部RC时钟和1个32KHz晶振

    两个多用途振荡器和双锁相环(PLL)，允许独立CPU频率，不受USB频率影响

    看门狗定时器，实时时钟定时器

    Device 2.0全速，以及On-The-Go(OTG)低速和全速

    通过专用的DMA通道实现灵活的端点配置和管理

    片上收发器，含上拉电阻

    802.3以太网媒体访问控制器

    支持媒体独立接口(MII)和简化MII(RMII)

    3个外部时钟输入，PWM，接收和多种计时能力

    内部高速FLASH

    独立波特率发生器，支持SPI，IrDA和ISO7816接口

    支持硬件握手操作，RS485接口和调制解调线路

    内部高速SRAM，全速单周期访问

    支持I2S协议和通用基于框架协议

    外部存储器接口，用于AT32UC3A0扩展

    中断控制器

    采样速率最高可达50 KHz

    Nexus Class 2+，运行控制，非强加数据和程序跟踪

    系统功能

    通用串行总线

    10/100 Mbps的以太网MAC接口

    1个三通道16位定时/计数器(TC)

    1个7通道16位脉宽调制控制器(PWM)

    4个通用 同步/异步 接收/发送器(USART)

    2个主/从串行外设接口(SPI)，带片选信号

    1个同步串行协议控制器

    1个主/从2-wire接口(TWI)，兼容400kbit/s I2C

    1个8通道10位模数转换器

    16位立体声比特流

    片上调试系统(JTAG接口)

    100脚 TQFP(69 GPIO引脚)，144脚 LQFP(109 GPIO引脚)

    5V输入容差I/Os

    3.3V单电源供电或1.8V-3.3V双电源供电

    外部设备和接口：

    高保真音频接口

    该音频接口作为本播放器的耳机的插口。

    电压选择接口

    为硬件平台提供强大的能量支持。

    USB接口

    与PC通信，作为下载音乐文件的接口。

    无线模块接口

    该接口支持IEE802.15.4?/Zigbee? 和蓝牙，作为无线收听音乐和控制播放器的接口。利用该接口用户可以随时对播放器的播放状态进行调整，并且该无线通信是双向的，因此，用户可以不用去寻找播放器，而只在耳机上就可以对播放器进行控制。

    五向触摸按键

    按键直接对音乐播放器进行控制

    LED灯

    显示音乐播放器当前的用户数目，使用户可以实时的了解当前的用户数量。

    2寸QVGA液晶显示器

    用于显示播放器的播放状态，如歌曲、音量和歌词等信息，使用户可以实时了解到系统的状态，并根据自己的喜好和需要对系统状态进行调整。

    数模转换

    为实现高品质音乐享受提供保证。

    综上所述，基于EVK1105强大的音频处理功能，丰富的外部结构，较低的功耗以及良好的外部存储器扩展，该系统采用这个平台进行相关的开发和制作。

    3.3系统软件架构

    结合UC/OS-II实时操作系统的特点，该音乐播放器的软件架构采用分层设计，整个软件体系突出系统裁剪便捷化、软件平台重用性最大化的特点。该音乐播放器的软件架构总共有四层：系统引导层、UC/OS操作系统层、动态加载专用驱动层和多任务应用层。

    1.系统引导层

    系统引导层是系统加电之后运行的第一段目标码。首先完成基本硬件的初始化，然后初初始化关键外围硬件，最后为内核设置启动参数并加载内核。

    （2）UC/OS-II操作系统层

    UC/OS-II操作系统层是UC/OS-II操作系统内核，通过裁剪，实现最小功能集。本层主要包括硬件驱动、进程控制管理、内存管理、文件系统和系统调用接口。其中，进程控制管理包括进程通信和进程调度。

    （3）动态加载专用驱动层

    动态加载式专用驱动层围绕该音乐播放器专用硬件，采用加载方式实现驱动设计，并构成音乐播放器专用硬件加载式驱动层，该层主要包括无线接口驱动、LCD 驱动、键盘驱动、麦克风驱动、音频接口驱动、USB驱动和外部存储接口驱动。

    （4）多任务应用层

    多任务应用层是该音乐播放器专用功能的应用层实现。该层采用1个进程运行多个线程的机制实现多任务操作进程之间采用消息队列通信机制。与专用硬件加载驱动层呼应，该层主要包括无线接口任务、界面显示任务、按键输入任务、麦克风处理任务、音频接口任务、USB数据拷贝任务和电源管理任务。多线程与消息队列通信机制不仅实现了多任务处理。同时方便了该音乐播放器功能扩充,为设备演进打下了良好基础。

    3.4系统软件流程

    系统的软件流程图如下：

    EVK1105上电后，开始初始化，然后初始化UC/OS-II操作系统，完成初始化后系统创建各项任务，并创建一个优先级最高的监视任务，最后启动操作系统，系统按照优先级调度运行各项任务，并一直监视各项任务的运行情况，直到关机键被按下。

    3.4 系统预计实现结果

    1、太阳能和振动能可以提供整个系统所需的绝大部分能量，实现真正意义上的环保和自主供能。

    2、根据太阳能电池板的特性，实现太阳能的最大转换，提高太阳能供电比重。

    3、多用户播放功能，在UC/OS-II实时操作系统的控制下，可以随时增加或删减收听的用户的数目，最多可以同时为4个用户播放音乐，并将当前的用户数量用LED灯的方式显示出来。

    4、借助EVK1105上的无线接口，是每个用户都可以无线收听音乐，摆脱耳机线的束缚，更加自由的享受音乐的美妙。同时，借助耳机上的按键实现音乐播放器的防丢失功能。

    5、利用具有DSP指令的AT32UC3A系列CPU，实现高品质的音乐播放。

    6、借助AT32UC3A上的USB等高速接口，实现音乐文件的海量存储。

    四、创新点

    该系统在功能上和系统设计上主要有以下几点创新：

    振动能量采集

    虽然如今已有一些振动能量采集的方案，但是大多局限于微型传感器的使用，该系统将采集到的振动能量用于音乐播放器，使得能量的采集手段更加丰富。

    辅助寻找功能

    针对便携式产品不易寻找的特点，该系统加入辅助寻找，系统各部分可以进行声音应答，为用户提供的方便。

    多用户播放功能

    该功能使得单个音乐播放器不再局限于只为单个用户播放歌曲的现状，而是可以同时为多个用户提供不同的音乐。