嵌入式系统语音采集与播放程序设计.docx

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嵌入式系统语音采集与播放程序设计

ARM9嵌入式系统课程设计

--嵌入式系统语音采集与播放程序设计

班级：

学号：

姓名：

指导老师：

课程设计时间：

2011.6.29---2011.7.8

江苏大学

第一章引言

1.1设计目的

分析Linux操作系统下音频设备驱动的结构，编写应用测试程序，实现UDA1341芯片的实时录音及放音功能，进一步熟悉vivi、Linux内核和根文件系统的编译和烧写至开发板的开发流程。

1.2设计任务与要求

在Samsung公司S3C2410处理器的edukit-Ⅲ开发板上,在嵌入式linux操作系统环境下，根据语音芯片UDA1341的驱动程序和语音数据的特点编写语音采集与播放的应用测试程序，实现语音数据的采集和实时播放功能。

1.要求本系统实时的采集与播放

2.

2.通过麦克风录制一段语音信息，对其进行播放

第二章课程设计平台构建与流程

2.1嵌入式系统平台构建

1）Linux或Windows98/2000/NT/XP

2）cygwin

cygwin是一个在windows平台上运行的unix/Linux模拟环境，是cygnussolutions公司开发

3）EmbestIDE

英蓓特提供的一个嵌入式开发的集成环境。

4）windows中的超级终端

5）EmbestonlineFlashProgrammerforARM

烧写相关文件到NorFlash中的工具。

6）建立linux的交叉编译环境，各项源代码的安装等

1）EduKit-II实验平台

2）S3C2410核心子板

3）PC机

2.2课程设计流程

图2.1设计流程

2.3课程设计硬件结构与工作原理

2.3.1硬件模块

（1）

图2.2典型的IIS总线上的设备

（2）IIS总线结构

IIS总线只处理声音数据，其他控制信号等则需单独提供。

IIS总线使用3根串行总线，分别是：

提供分时复用功能的SD线（Serialdata，串行数据），WS线（Wordselect，字段选择（声道选择））和SCK线（ContinuousSerialclock，连续的时钟信号）。

图2.3IIS总线接口内部结构

S3C2410AIIS总线接口各模块的功能描述如下：

●BRFC表示总线接口、寄存器区和状态机。

总线接口逻辑和FIFO访问由状态机控制。

●IPSR表示两个5位的前置分频器ISPR_A和ISPR_B，一个前置分频器作为IIS总线接口的主时钟发生器，另一个前置分频器作为外部音频编解码器CODEC的时钟发生器。

●TxFIFO和RxFIFO表示两个64字节的FIFO。

在发送数据时，数据写到TxFIFO，在接收数据时，数据从RxFIFO读取。

●SCLKG表示主IISCLK发生器。

在主设模式时，由主时钟产生串行位时钟。

●CHNC表示通道发生器和状态机。

通道状态机用于产生和控制IISCLK和IISLRCK。

●SFTR表示16位移位寄存器。

在发送模式时，并行数据移入SFTR并转换成串行数据输出；在接收模式时，串行数据移入SFTR并转换成并行数据输出。

具体的相关寄存器的位功能描述请参观相关资料。

2.3.2工作原理

常用的数字音频处理集成电路包括A/D、D/A、DSP、数字滤波器和数字音频I/O接口及设备（麦克风、话筒）等。

麦克风输入的模拟音频信号经A/D转换、音频编码器实现模拟音频信号到数字音频信号转换,编码后的数字音频信号通过控制器送入DSP或微处理器相应的处理。

音频输出时,数字音频信号（音频数据）经控制器给音频解码器,经D/A转换后由扬声器输出。

数字音频涉及概念很多,重要的是理解:

采样和量化。

采样就是每隔一定时间读一次声音信号的幅度,而量化则是将采样得到的声音信号幅度转换为数字值。

从本质上讲,采样是时间上的数字化,而量化则是幅度上的数字化。

根据奈奎斯特（Nyquist）采样理论采样频率应高于输入信号的最高频率两倍。

为了保证声音不失真,采样频率应该在40kHz左右。

常用的音频采样频率有8kHz、11.025kHz、22.05kHz、16kHz、37.8kHz、44.1kHz、48kHz等,要达到DVD的音质需要采用更高的采样频率。

量化是对模拟音频信号的幅度数字化,量化位数决定模拟信号数字化以后的动态范围,常用的有8位、12位和16位。

量化位越高,信号的动态范围越大,数字化后的音频信号就越接近原始信号,但所需要的存储空间也越大。

声道有单声道、双声道和多声道。

双声道又称立体声,在硬件中有两条线路，音质和音色都优于单声道，但数字化后占据的存储空间的大小要比单声道多一倍。

多声道能提供更好的听觉感受，不过占用的存储空间也更大。

数字音频数据有PCM、MP3、WMA、WAV、OggVorbis、RA、AAC、ATRAC3等多种不同的文件格式。

1）IIS总线

IIS总线（IIS,Inter-ICSoundBus,数字音频集成电路通信总线）是Philip公司提出的音频总线协议，它是一种串行的数字音频总线协议，是音频数据编码或解码常用的串行音频数字接口。

（1）IIS总线的传输模式

数据的发送方和接收方需要采用相同的时钟信号来控制数据传输，数据传输方（主设）必须产生字段选择信号、时钟信号和需要传输的数据信号。

在一个复杂的数字音频系统中，可能会有多个发送方和接收方，通常采用系统主控制模式，主控制模块控制数字音频数据在不同集成电路（设备）间的传输，数据发送方就需要在主控制模块的协调下发送数据。

IIS总线的三种传输模式如图2、3、4所示，这些模式的配置一般需通过软件来实现。

图2.4发送器为主设时的传输模式

图2.5接收器为主设时的传输模式

图2.6控制器为主设时的传输模式

（2）IIS总线时序

串行数据（SD）

串行数据的传输由时钟信号同步控制，且串行数据线每次传输1字节的数据。

当音频数据被数字化成二进制流后，传输时先将数据分成字节（如8位、16位等），每个字节的数据传输从左边的二进制位MSB（MostSignificantBit）开始。

当接收方和发送方的数据字段宽度不一样时，发送方不考虑接收方的数据字段宽度。

如果发送方发送的数据字段宽度小于系统字段宽度，就在低位补0；如果发送方的数据字段宽度大于接收方的宽度，则超过LSB（LeastSignificantBit）的部分被截断。

字段选择（WS）

音频系统一般包含有左右两个声道，字段选择（WS）用来选择左声道或者右声道，WS=0表示选择左声道；WS=0表示选择左声道。

如果不在外部加以控制，WS会在MSB传输前的一个时钟周期发生变化，使数据接收方和发送方保持同步。

此外，WS能让接收设备存储前1字节，并且准备接收后1字节。

时钟信号（SCK）

在IIS总线中，任何一个能够产生时钟信号的电路都可以称为主设备，从设备从外部时钟输入得到时钟信号。

IIS的规范中制定了一系列关于时钟信号频率和延时的限制。

图2.7IIS总线时序

（3）IIS总线接口的工作方式

IIS总线接口是用来连接外部的标准编解码器（CODEC）的接口。

S3C2410A提供一个IIS总线接口，能用来连接一个外部8/16位立体声音频CODEC，支持IIS总线数据格式和MSB-justified数据格式。

该接口对FIFO的访问提供DMA传输模式，而不是采用中断模式。

它可以同时发送数据和接收数据，也可以只发送或只接收数据。

在只发送和只接收模式，S3C2410A的IIS总线接口有以下三种工作方式。

正常传输方式

在正常传输方式,对于发送和接收FIFO,IIS控制寄存器有一个FIFO就绪标志位。

当FIFO准备发送数据时,如果发送FIFO不空，则FIFO就绪标志位为“1”；如果发送FIFO为空,该标志为“0”。

在接收数据时,当接收FIFO是不满时,FIFO就绪标志位为“1”,指示可以接收数据;若接收FIFO满,则该标志为“0”。

通过FIFO就绪标志位,可以确定CPU读/写FIFO的时间。

DMA传输方式

在DMA传输方式，利用DMA控制器来控制发送和接收FIFO的数据存取，由FIFO就绪标志来自动请求DMA的服务。

发送和接收方式

在发送和接收方式,IIS总线接口可以同时发送和接收数据。

（4）S3C2410AIIS总线接口的音频串行接口格式

S3C2410A的IIS总线接口支持IIS总线数据格式和MSB-justified数据格式。

IIS总线格式

IIS总线有IISDI（串行数据输入）、IISDO（串行数据输出）、IISLRCK（左／右通道选择）和IISCLK（串行位时钟）4条线，产生IISLRCK和IISCLK信号的为主设备。

串行数据以2的补码发送，首先发送是MSB位。

首先发送MSB位可以使发送方和接收方具有不同的字长度，发送方不必知道接收方能处理的位数，同样接收方也不必知道发送方正发来多少位的数据。

当系统字长度大于发送器的字长度时，数据发送时，字被切断（最低数据位设置为0）发送。

接收器接收数据时，如果接收到的数据字长比接收器的字长更长时，则多的数据位被忽略。

另一方面，如果接收器收到的数据位数比它的字长短时，则缺少的位设置为0。

因此，MSB有固定的位置，而LSB的位置与字长度有关。

在IISLRCK发生改变的一个时钟周期，发送器发送下一个字的MSB位。

发送器发送的串行数据可以在时钟信号的上升沿或下降沿同步。

然而，串行数据必须在串行时钟信号的上升沿锁存到接收器，所以发送数据使用上升沿进行同步时会一些限制。

左右通道选择线指示当前正发送的通道。

IISLRCK可以在串行时钟的上升沿或者下降沿改变，不需要同步。

在从模式，这个信号在串行时钟的上升沿被锁存。

IISLRCK在MSB位发送的前一个时钟周期内发生改变，这样可以使从发送器同步发送串行数据。

另外，允许接收器存储前一个字，并清除输入以接收下一个字。

MSB-justified数据格式

MSB-justified总线格式在体系结构上与IIS总线格式相同。

与IIS总线格式唯一不同的是，只要IISLRCK有变化，MSB-justified格式要求发送器总是发送下一个字的最高位。

2）音频编解码芯片UDAl341TS

UDA1431TS可把通过麦克风音频输入通道输入的立体声模拟信号转化为IIS格式的数字信号，传送给S3C2410的IIS控制器，然后CPU使用DMA控制器把得到的数字信号存放的一块内存空间上；同样DMA控制器也能把已存的数字信号通过IIS格式发送给UDAl341TS芯片，由该芯片转换成模拟信号，通过耳机音频输出通道输出。

利用UDA1341TS内部的PGA（可编程增益放大器）、AGC（自动增益控制）功能对模拟信号进行处理。

对于数字信号，UDA1341TS提供DSP（数字音频处理）功能。

S3C2410A的IIS接口线分别与UDA1431TS的BCK、WS、DATAI、SYSCLK相连。

当UDA1431TS芯片工作在微控制器输入模式时，使用UDA1431TS的L3总线（L3DATA、L3MODE和L3CLOCK）。

L3DATA、L3MODE和L3CLOCK分别表示与微处理器接口的数据线（L3DATA）、模式控制线（L3MODE）和时钟线（L3CLOCK）。

微控制器通过对UDA1431TS中的数字音频处理参数进行配置。

S3C2410A没有与L3总线配套的专用接口，可以利用通用I/O口进行控制。

第三章Bootloader移植与下载

3.1Vivi源代码安装

进入cygwin，Vivi源代码的安装：

$>source/tmp/edukit-2410/set_env_linux.sh//Linux编译环境变量设置，第一次打开Cygwin必须设置。

$>cd$WORKDIR

$>tar-xvjf/tmp/edukit-2410/source/vivi/vivi-20030929.tar.bz2

$>ls

…vivi……为$WORKDIR目录下其他内容

正确解压后，可以看到多了一个vivi目录，即vivi源代码的安装目录，后面的vivi配置及编译都得进入vivi目录进行。

再为EduKit2410实验系统打入vivi源代码的补丁文件：

$>cdvivi

$>patch-p1

patchingfileMakefile

patchingfilearch/config.in

3.2Vivi源代码分析与移植

vivi的代码包括arch，init，lib，drivers和include等几个目录，共200多条文件。

Vivi主要包括下面几个目录：

arch：

此目录包括了所有vivi支持的目标板的子目录，例如s3c2410目录。

drivers：

其中包括了引导内核需要的设备的驱动程序（MTD和串口）。

MTD目录下分map、nand和nor三个目录。

init：

这个目录只有main.c和version.c两个文件。

和普通的C程序一样，vivi将从main函数开始执行。

lib：

一些平台公共的接口代码，比如time.c里的udelay（）和mdelay（）。

include：

头文件的公共目录，其中的s3c2410.h定义了这块处理器的一些寄存器。

Platform/smdk2410.h定义了与开发板相关的资源配置参数，我们往往只需要修改这个文件就可以配置目标板的参数，如波特率、引导参数、物理内存映射等。

3.3Vivi编译与下载

1）Vivi源代码的编译

然后执行以下命令进行编译：

$>source/tmp/edukit-2410/set_env_linux.shLinux编译环境变量设置

$>cd$WORKDIR/vivi

$>makeclean

图3.1vivi编译

$>makemenuconfig输入配置smdk2410:

Nandboot或smdk2410-amd:

NorFlashboot

图3.2图形界面下配置内核文件

其中，运行makemenuconfig后，选择LoadanAlternateConfigurationfile，配置文件名称如下：

smdk2410：

编译vivi在NandFlash（K9S5608）中运行；

smdk2410-amd：

编译vivi在NorFlash（AM29LV160DB）中运行。

这两个配置文件在\usr\local\src\edukit-2410\vivi\arch\def-configs\中，须复制

到\usr\local\src\edukit-2410\vivi\中；或者可以在menuconfig中输入全部路径。

配置好后，输入:

$>make

图3.3vivi映像文件生成

如果编过程中没有出现错误，则编译后的执行文件存放于vivi目录下。

2）下载：

在下载模式下,vivi为用户提供一个命令行人机接口,通过人机接口可使用vivi提供的一些命令。

如嵌入式系统没有键盘和显示,可以利用vivi中的串口,将其和宿主机连接起来,利用宿主机中的串口软件（如Windows中的超级终端或Linux中的minicom）来控制。

第四章Linux内核移植与下载

4.1Linux内核源代码安装

linux源代码安装

运行cygwin，执行以下命令完成cygwin环境下的Linux源代码的安装：

$>source/tmp/edukit-2410/set_env_linux.shLinux编译环境变量设置

$>cd$WORKDIR

$>tar–xvjf/tmp/edukit-2410/linux-2.4.18-rmk7-pxa1-mz5-i2c.tar.bz2

$>ls

…kernel……为$WORKDIR目录下其他内容

图4.1linux内核安装

正确解压后，相比之前可以看到多了一个kernel目录，即kernel源代码的安装目录，后面的Linux配置及编译都得在kernel目录进行。

实验中提供的linux内核已经包含了Linux源代码的补丁文件、I2C和网络驱动模块

4.2Linux内核源代码分析与移植

4.2.1Linux源代码分析

Linux内核由5个主要的子系统组成。

这5个子系统分别是进程调度（SCHED）、内存管理（MM）、虚拟文件系统（VirtualFileSystem,VFS）、网络接口（NET）和进程间通信（IPC）。

进程调度控制着进程对CPU的访问。

当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选择最值得运行的进程。

可运行进程实际是仅等待CPU资源的进程，如果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。

Linux使用了比较简单的基于优先级的进程调度算法选择新的进程。

内存管理允许多个进程安全地共享主内存区域。

Linux的内存管理支持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码、数据和堆栈的总量可以超过实际内存的大小，操作系统只将当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘上。

必要时，操作系统负责在磁盘和内存之间交换程序块。

内存管理从逻辑上可以分为硬件无关的部分和硬件相关的部分。

硬件无关的部分提供了进程的映射和虚拟内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。

虚拟文件系统隐藏了各种不同硬件的具体细节，为所有设备提供了统一的接口，虚拟文件系统还支持多达数十种不同的文件系统，这也是Linux较有特色的部分。

虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。

逻辑文件系统指Linux所支持的文件系统，如ext2、fat等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。

网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。

网络接口可分为网络协议和网络驱动程序两部分。

网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱动程序

4.2.2Linux内核及硬件模块驱动移植

内核和文件系统、图形用户系统（GUI窗口系统）可以分开，它们的开发、移植、下载甚至运行都是可以分开的。

内核移植是一个比较复杂的任务，也是嵌入式系统开发中非常重要的一个过程。

内核移植一般包括内核配置、内核编译和内核下载3大步骤。

4.3Linux内核编译与下载

4.3.1Linux内核源代码安装

运行cygwin，执行以下命令完成cygwin环境下的Linux内核源代码的安装：

$>source/tmp/edukit-2410/set_env_linux.sh//Linux编译环境变量设置

$>cd$WORKDIR

$>tar–xvjf/tmp/edukit-2410/linux-2.4.18-rmk7-pxa1-mz5-i2c.tar.bz2

$>ls

…kernel…//…为$WORKDIR目录下其他内容

正确解压后，可以看到多了一个kernel目录，即kernel内核源代码的安装目录，后面的Linux内核配置及编译都得进入kernel目录进行。

实验中提供的linux内核已经包含了Linux源代码的补丁文件、IIC和网络驱动模块。

4.3.2Linux内核的编译

$>cdkernel

图4.2

$>makemrproper清除所有的旧的配置和旧的编译目标文件等

$>makexconfig在图形界面下对内核进行配置（配置方法之一）

执行makexconfig后，弹出如图4.3的内核定制界面：

图4.3内核定制界面

选择按钮”LoadConfigurationfromFile”，如图4.4输入smdk2410：

图4.4内核配置文件

选择配置sound,设置Soundsupport为y:

设置BT878audiodma为y:

设置SMDK-2410audiosupport为y：

设置OSSsoundmodules为y：

根据提示加载配置文件后，点击按钮”StoreConfigurationtoFile”，如图4.5输入audio1：

图4.5存储配置文件

保存，SaveandExit。

如图4.6

图4.6

$>makedep//搜索Linux编译输出与源代码之间的依赖关系并生成依赖文件。

图4.7

$>makeclean//清除构造内核时生成的目标文件、模块文件和临时文件。

$>makezImage//生成压缩的内核映像文件。

图4.8

编译通过后，在/usr/local/src/edukit-2410/kernel/arch/arm/boot/目录下生成内核的压缩映像文件为“zImage”，此文件是最后要烧写到开发板的内核映像文件。

4.3.1Linux内核下载

内核下载：

1）启动超级终端（波特率为115200）,连好串口线,在开机瞬间快速按空格键,进入vivi控制台命令行下;

打开S3C2410&NandFlash_vivi.cfg,在FlashProgrammer的Progarm页中选择：

vivi.bon&load.bin文件进行烧写。

如图4.9

图4.9烧写界面

点击按钮Progarm开始烧写，直到烧写成功；连接串口到PC机COM1，运行成功；连接串口线到PC机COM1，运行光盘中提供的Windows超级终端HyperTerminal.ht；开发板重新加电，程序运行后，在超级终端上可以看到串口输出类似以下信息：

图4.10超级终端界面

看到以上信息后，表示正在等待用户从超级终端下载文件。

这时，请点击超级终端菜单"传送"选择Xmodem方式下载vivi.nand文件，点击OK后等待下载烧写结束即可。

图4.11添加传送文件

图4.12下载vivinada

2）在vivi启动等待中，敲入空格键进入vivi界面环境，并输入以下命令：

vivi>loadflashkernelx<回车>烧写更新内核约4分钟即可烧写完毕，如图4.13

图4.13等待下载

3）立即选择要发送的文件,比如zImage文件,这里Linux环境下源代码arch/arm/boot目录下的zImage内核映像文件已转移到windows某目录下。

要选择合适的xmodem协议。

以上操作完成后,单击“发送,几分钟后即可发送完毕。

图4.14发送zImage

图4.15下载成功

第五章课程设计功能模块程序设计与交叉编译

5.1课程设计模块功能

5.1.1三个模块：

I2S音频总线接口电路；音频编解码器芯片udal41；DMA控制器；

5.1.2工作过程：

麦克风输入的模拟音频信号在音频编解码器中经过A/D转换和编码将模拟信号转换成数字信号，将这些数字信号先传给I2S音频总线接口电路中的FIFO，再由DMA控制器送入DSP中做相应的处理，这是录音的过程；DMA控制器将DSP中存储的信号传送给I2S音频总线接口电路中的FIFO，再发送给音频编解码芯片进行D/A转换，通过耳机输出模拟信号。

5.2功能模块驱动程序设计

5.2.1关于驱动结构体

由于目前许多硬件厂商在出售各种产品时，一般都不带Lin