基于ARM9的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著 Internet技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，語音通信技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到重視[1]。如今的嵌人式設(shè)備日益復(fù)雜化，功能比以前更加豐富，性能也越來越高。在多種嵌人式終端產(chǎn)品中，音頻處理功能已成為不可缺少的重要組成部分，高質(zhì)量的音效是當(dāng)前發(fā)展的重要趨勢(shì)。

　　本文利用 ATMEL公司 的 AT91RM9200型微處理器 和 Philips公司的 UDA1341型立體聲音頻編解碼器設(shè)計(jì)了一種嵌入式音頻系統(tǒng)。該嵌入式音頻系統(tǒng)硬件部分采用基于IIS總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其主要硬件電路后文作了詳細(xì)的介紹。軟件上，筆者以嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為平臺(tái)，重點(diǎn)介紹該音頻系統(tǒng)在此平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)。

　　2 AT91RM9200處理器簡介

　　AT91RM9200是 ATMEL公司針對(duì)系統(tǒng)控制以及通信領(lǐng)域推出的基于ARM920T內(nèi)核的新型微處理器[2]，在高性能和低功耗特性方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，而且具有很高的主頻，最高可達(dá)到180 MHz。該處理器具有獨(dú)立的16K指令和16K數(shù)據(jù)cache，全功能的MMU虛擬內(nèi)存管理單元，以及內(nèi)部的16KB SRAM和128KB ROM，EBI接口控制器。片上集成了豐富的外圍接口，包括網(wǎng)絡(luò)MAC、USB控制器、SDRAM 控制器、CF接口、NAND flash接口、IIC接口、JTAG調(diào)試器以及支持 256 MB的地址空間。而且處理器還提供自舉模式，供用戶寫入引導(dǎo)代碼，方便 Linux等操作系統(tǒng)的移植。

　　3 UDA1341TS音頻芯片及IIS總線簡介

　　PHILIPS公司的 UDA1341TS是一塊功能強(qiáng)大的專用語音處理芯片[3]。該芯片集語音放大、濾波、采樣、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能于一體，并且能進(jìn)行數(shù)字語音處理。本設(shè)計(jì)使用的AT91RM9200處理器具有一個(gè)IIS音頻接口，此接口采用 DMA方式傳輸數(shù)據(jù)。在該方式下，由DMA控制器取代CPU，獲得總線控制權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)或者內(nèi)存之間的不同區(qū)域之間大量數(shù)據(jù)的快速傳輸。用DMA接口傳輸數(shù)據(jù)，不僅可以降低CPU負(fù)擔(dān)，還可以節(jié)省系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)間，降低編程難度。而 UDA1341TS支持IIS總線格式，并且具有數(shù)字語音處理特性，由此決定了UDA1341TS與AT91RM9200處理器的電路連接比較簡單，并且能實(shí)現(xiàn)語音的 A/D和 D/A等預(yù)處理，而不需要再額外增加專門的A/D和 D/A器件。

　　需要說明的是，數(shù)字音頻系統(tǒng)需要多種多樣的集成電路，因此，為這些電路提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議非常重要。IIS總線是由SONY和PHILIPS公司等電子巨頭共同提出的數(shù)字音頻總線協(xié)議，全稱是內(nèi)部集成電路聲音總線 (Inter IC Sound Bus)，它是一種串行的數(shù)字音頻總線協(xié)議，該總線專門用于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)字立體聲提供一個(gè)序列連接至標(biāo)準(zhǔn)編解碼器[4]，目前很多音頻芯片和處理器都提供了對(duì)IIS總線的支持。筆者根據(jù)IIS總線的原理，結(jié)合AT91RM9200處理器和數(shù)字音頻輸入/輸出接口芯片 UDA1341TS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的嵌入式音頻系統(tǒng)可以運(yùn)用到很多類似的音頻系統(tǒng)中。

　　4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

　　由于IIS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，而其他的信號(hào)如編碼、控制等信號(hào)單獨(dú)傳送。為了使必需的引腳數(shù)最小并且保持連線簡單，IIS總線由3條信號(hào)線組成：時(shí)分復(fù)用的數(shù)據(jù)通道線、字段選擇線和時(shí)鐘信號(hào)線。本系統(tǒng)由系統(tǒng)主控制器提供時(shí)鐘信號(hào)，控制數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在各個(gè)IC之間的流向。此時(shí)，發(fā)送器在外部時(shí)鐘信號(hào)的控制下產(chǎn)生數(shù)據(jù)，處于從模式。

　　本設(shè)計(jì)硬件連接圖比較簡單，如圖1所示。圖中的處理器采用了AT91RM9200處理器，其內(nèi)置IIS音頻總線，內(nèi)置的IIS接口能讀取IIS總線上的數(shù)據(jù)，并由UDA1341TS芯片外擴(kuò)，通過總線和系統(tǒng)連接，需要處理器提供系統(tǒng)時(shí)鐘和3根控制線。

　　圖1 硬件設(shè)計(jì)簡圖

　　AT91RM9200的IIS控制器由5個(gè)引腳與外部的音頻編解碼器相連。這些引腳分別是：系統(tǒng)時(shí)鐘;位速率時(shí)鐘(可使用內(nèi)部或外部時(shí)鐘源);字段選擇;串行聲音輸入;串行聲音輸出。本設(shè)計(jì)中，UDA1341TS使用的是L3接口 ，該接口用來控制音頻信號(hào)的音量大小以及低音等。L3接口有3個(gè)信號(hào)：L3MODE，L3CLK，L3DATA，將字節(jié)寫入 L3總線寄存器。IIS總線控制器通過軟件控制AT91RM9200的通用I/O引腳(筆者選用的是PA0、PA1、PA2三個(gè)通用I/O口)來支持L3接口。下圖是本嵌入式音頻系統(tǒng)的硬件電路連接圖，見圖2。

　　圖2 硬件電路的連接

　　各個(gè)引腳的連接說明如下：

　　SYSCLK：IIS總線的基本時(shí)鐘源，AT91RM9200處理器的TCLK3引腳與UDA1341TS芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘相連接。由于UDA1341TS芯片僅支持從模式 ，因此在所有的應(yīng)用中系統(tǒng)設(shè)備必須提供系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率是可編程的，其分頻率可以是 256、384或512倍的采樣頻率。系統(tǒng)時(shí)鐘必須在頻率上與數(shù)字接口信號(hào)一致。在設(shè)計(jì)中筆者用的是256fs的時(shí)鐘。

　　WS：字段選擇引腳，用于指出現(xiàn)行串行數(shù)據(jù)采樣值為左聲道還是右聲道數(shù)據(jù)，AT91RM9200處理器的TK0引腳與WS相連接。

　　BCK：向UDA1341TS提供用作采樣邏輯的串行聲音位速率時(shí)鐘，AT91RM9200處理器的TD0引腳與 UDA1341TS芯片的BCK引腳相連接。

　　DATAI， DATAO：用于從UDA1341TS接收、發(fā)送串行聲音數(shù)據(jù)，AT91RM9200處理器的RD0，RK0引腳分別對(duì)應(yīng)UDA1341TS的音頻輸入、輸出引腳。

　　L3M0DE，L3CLOCK，L3DATA：UDA1341TS的L3接口引腳，分別與AT91RM9200的3個(gè)通用數(shù)據(jù)輸出引腳PA0、PA1、PA2連接。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

　　嵌入式 Linux是一種完全開放且免費(fèi)的操作系統(tǒng)，其支持多種硬件體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)行穩(wěn)定 ，擁有完善的開發(fā)工具，為開發(fā)人員提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境[5]。在嵌入式 Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)備之間的一個(gè)軟件層(接口)，為應(yīng)用程序屏蔽了硬件細(xì)節(jié)。本設(shè)計(jì)中，音頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要通過對(duì)硬件的控制實(shí)現(xiàn)音頻流的傳輸，同時(shí)向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的音頻接口。整個(gè)音頻驅(qū)動(dòng)程序包括設(shè)備初始化、打開設(shè)備、數(shù)字音頻處理(DSP)驅(qū)動(dòng)、混頻器(MIXER)驅(qū)動(dòng)和釋放設(shè)備等部分。本文由于篇幅的限制，僅介紹設(shè)備初始化及打開設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。

　　設(shè)備初始化是整個(gè)音頻驅(qū)動(dòng)程序的開始部分，主要完成對(duì)UDA1341TS音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊(cè)設(shè)備。通過函數(shù)audio_init(void)完成以下具體功能： AT91RM9200控制端口(PA0、PA1、PA2)的初始化;為UDA1341TS分配 DMA通道;初始化UDA1341TS芯片;注冊(cè)音頻audio設(shè)備和混頻器設(shè)備。

　　以下給出的是該函數(shù)總體框架：

　　audio_init(void)

　　{

　　Set_gpio_ctrl(GPIO_L3CLOCK); /*CPU控制端口的初始化 */

　　… … /*“……”表示省略部分代碼，以下同 */

　　Input_stream.dma_ch=DMA_CH1; /*輸入 DMA通道的選擇 */

　　Output_stream.dma_ch=DMA_CH2; /*輸出DMA通道的選擇 */

　　Local_irq_restore(flags);

　　Init_UDA1341(); /*初始化 UDA1341*/

　　… …

　　/*下面兩個(gè)函數(shù)用來注冊(cè)音頻 audio設(shè)備和混頻器設(shè)備 */

　　Audio_dev_dsp=register_sound_dsp (at91rm9200_audio_fops，-1);

　　Audio_dev_mixer=register_ound_mixer (at91rm9200_mixer_fops，-1);

　　}

　　打開設(shè)備由函數(shù)open()來實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)可以完成以下功能：配置IIS總線接口;設(shè)置UDA1341TS聲道及采樣頻率等參數(shù);計(jì)算緩沖區(qū)大小;為UDA1341TS分配DMA緩沖區(qū)。

　　該音頻模塊經(jīng)過正確的配置可以實(shí)現(xiàn)錄音、放音及循環(huán)放音等功能。本文給出初始化IIS接口、測(cè)試IIS接口以及運(yùn)用IIS接口來播放一段音樂的程序設(shè)計(jì)基本流程，流程圖如圖3所示。錄音和循環(huán)播放功能的設(shè)計(jì)流程與放音類似，這里不再贅述。

　　圖3 IIS接口功能測(cè)試軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　6 結(jié)論

　　本文介紹了一種基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡潔實(shí)用，可以實(shí)現(xiàn)音頻的采集和播放，文章具體講述了基于ATMEL公司AT91RM9200型微處理器與音頻編解碼芯片UDA1341TS的硬件連接及嵌入式 Linux下音頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這只是本系統(tǒng)的主要組成部分，至于其他相關(guān)組成部分如FLASH和SDRAM等，筆者在實(shí)際設(shè)計(jì)中已經(jīng)完成，由于篇幅關(guān)系，文中沒有詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)已經(jīng)在AT91RM9200的開發(fā)平臺(tái)上得到了實(shí)現(xiàn)，可以順利進(jìn)行音頻的采集和播放，并取得了良好的效果。另外，當(dāng)今實(shí)時(shí)視頻處理和傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用也日益廣泛，如視頻會(huì)議、VOIP電話等等，本設(shè)計(jì)適當(dāng)加以擴(kuò)展，特別是與視頻模塊結(jié)合，即可應(yīng)用于更多相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)中。