基于IIS總線(xiàn)的嵌入式音頻系統介紹

1 引言

　　隨著(zhù) Internet技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，語(yǔ)音通信技術(shù)的應用越來(lái)越廣泛，也越來(lái)越受到重視[1]。如今的嵌人式設備日益復雜化，功能比以前更加豐富，性能也越來(lái)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)量的音效是當前發(fā)展的重要趨勢。

　　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計了一種嵌入式音頻系統。該嵌入式音頻系統硬件部分采用基于IIS總線(xiàn)的音頻系統體系結構，其主要硬件電路后文作了詳細的介紹。軟件上，筆者以嵌入式Linux操作系統作為平臺，重點(diǎn)介紹該音頻系統在此平臺下的驅動(dòng)程序的實(shí)現。

　　2 AT91RM9200處理器簡(jiǎn)介

　　AT91RM9200是 ATMEL公司針對系統控制以及通信領(lǐng)域推出的基于ARM920T內核的新型微處理器[2]，在高性能和低功耗特性方面具有極大的優(yōu)勢，而且具有很高的主頻，最高可達到180 MHz。該處理器具有獨立的16K指令和16K數據cache，全功能的MMU虛擬內存管理單元，以及內部的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(hù)寫(xiě)入引導代碼，方便 Linux等操作系統的移植。

　　3 UDA1341TS音頻芯片及IIS總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　PHILIPS公司的 UDA1341TS是一塊功能強大的專(zhuān)用語(yǔ)音處理芯片[3]。該芯片集語(yǔ)音放大、濾波、采樣、A/D和D/A轉換等功能于一體，并且能進(jìn)行數字語(yǔ)音處理。本設計使用的AT91RM9200處理器具有一個(gè)IIS音頻接口，此接口采用 DMA方式傳輸數據。在該方式下，由DMA控制器取代CPU，獲得總線(xiàn)控制權，從而實(shí)現內存與外設或者內存之間的不同區域之間大量數據的快速傳輸。用DMA接口傳輸數據，不僅可以降低CPU負擔，還可以節省系統的軟件設計時(shí)間，降低編程難度。而 UDA1341TS支持IIS總線(xiàn)格式，并且具有數字語(yǔ)音處理特性，由此決定了UDA1341TS與AT91RM9200處理器的電路連接比較簡(jiǎn)單，并且能實(shí)現語(yǔ)音的 A/D和 D/A等預處理，而不需要再額外增加專(zhuān)門(mén)的A/D和 D/A器件。

　　需要說(shuō)明的是，數字音頻系統需要多種多樣的集成電路，因此，為這些電路提供一個(gè)標準的通信協(xié)議非常重要。IIS總線(xiàn)是由SONY和PHILIPS公司等電子巨頭共同提出的數字音頻總線(xiàn)協(xié)議，全稱(chēng)是內部集成電路聲音總線(xiàn) (Inter IC Sound Bus)，它是一種串行的數字音頻總線(xiàn)協(xié)議，該總線(xiàn)專(zhuān)門(mén)用于音頻設備之間的數據傳輸，為數字立體聲提供一個(gè)序列連接至標準編解碼器[4]，目前很多音頻芯片和處理器都提供了對IIS總線(xiàn)的支持。筆者根據IIS總線(xiàn)的原理，結合AT91RM9200處理器和數字音頻輸入/輸出接口芯片 UDA1341TS的結構特點(diǎn)，設計的嵌入式音頻系統可以運用到很多類(lèi)似的音頻系統中。

　　4 系統硬件設計方案

　　由于IIS總線(xiàn)只處理音頻數據，而其他的信號如編碼、控制等信號單獨傳送。為了使必需的引腳數最小并且保持連線(xiàn)簡(jiǎn)單，IIS總線(xiàn)由3條信號線(xiàn)組成：時(shí)分復用的數據通道線(xiàn)、字段選擇線(xiàn)和時(shí)鐘信號線(xiàn)。本系統由系統主控制器提供時(shí)鐘信號，控制數字音頻數據在各個(gè)IC之間的流向。此時(shí)，發(fā)送器在外部時(shí)鐘信號的控制下產(chǎn)生數據，處于從模式。

　　本設計硬件連接圖比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。圖中的處理器采用了AT91RM9200處理器，其內置IIS音頻總線(xiàn)，內置的IIS接口能讀取IIS總線(xiàn)上的數據，并由UDA1341TS芯片外擴，通過(guò)總線(xiàn)和系統連接，需要處理器提供系統時(shí)鐘和3根控制線(xiàn)。

　　圖1 硬件設計簡(jiǎn)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：系統時(shí)鐘;位速率時(shí)鐘(可使用內部或外部時(shí)鐘源);字段選擇;串行聲音輸入;串行聲音輸出。本設計中，UDA1341TS使用的是L3接口 ，該接口用來(lái)控制音頻信號的音量大小以及低音等。L3接口有3個(gè)信號：L3MODE，L3CLK，L3DATA，將字節寫(xiě)入 L3總線(xiàn)寄存器。IIS總線(xiàn)控制器通過(guò)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(lái)支持L3接口。下圖是本嵌入式音頻系統的硬件電路連接圖，見(jiàn)圖2。

　　圖2 硬件電路的連接

　　各個(gè)引腳的連接說(shuō)明如下：

　　SYSCLK：IIS總線(xiàn)的基本時(shí)鐘源，AT91RM9200處理器的TCLK3引腳與UDA1341TS芯片的系統時(shí)鐘相連接。由于UDA1341TS芯片僅支持從模式 ，因此在所有的應用中系統設備必須提供系統時(shí)鐘。系統時(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。系統時(shí)鐘必須在頻率上與數字接口信號一致。在設計中筆者用的是256fs的時(shí)鐘。

　　WS：字段選擇引腳，用于指出現行串行數據采樣值為左聲道還是右聲道數據，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)送串行聲音數據，AT91RM9200處理器的RD0，RK0引腳分別對應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)通用數據輸出引腳PA0、PA1、PA2連接。

　　5 系統軟件設計方案

　　嵌入式 Linux是一種完全開(kāi)放且免費的操作系統，其支持多種硬件體系結構，運行穩定 ，擁有完善的開(kāi)發(fā)工具，為開(kāi)發(fā)人員提供了優(yōu)良的開(kāi)發(fā)環(huán)境[5]。在嵌入式 Linux系統中，設備驅動(dòng)程序提供了應用程序和實(shí)際設備之間的一個(gè)軟件層(接口)，為應用程序屏蔽了硬件細節。本設計中，音頻設備驅動(dòng)程序主要通過(guò)對硬件的控制實(shí)現音頻流的傳輸，同時(shí)向上層提供標準的音頻接口。整個(gè)音頻驅動(dòng)程序包括設備初始化、打開(kāi)設備、數字音頻處理(DSP)驅動(dòng)、混頻器(MIXER)驅動(dòng)和釋放設備等部分。本文由于篇幅的限制，僅介紹設備初始化及打開(kāi)設備的實(shí)現。

　　設備初始化是整個(gè)音頻驅動(dòng)程序的開(kāi)始部分，主要完成對UDA1341TS音量、采樣頻率、L3接口等的初始化，并且注冊設備。通過(guò)函數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;注冊音頻audio設備和混頻器設備。

　　以下給出的是該函數總體框架：

　　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)函數用來(lái)注冊音頻 audio設備和混頻器設備 */

　　Audio_dev_dsp=register_sound_dsp (at91rm9200_audio_fops，-1);

　　Audio_dev_mixer=register_ound_mixer (at91rm9200_mixer_fops，-1);

　　}

　　打開(kāi)設備由函數open()來(lái)實(shí)現，該函數可以完成以下功能：配置IIS總線(xiàn)接口;設置UDA1341TS聲道及采樣頻率等參數;計算緩沖區大小;為UDA1341TS分配DMA緩沖區。

　　該音頻模塊經(jīng)過(guò)正確的配置可以實(shí)現錄音、放音及循環(huán)放音等功能。本文給出初始化IIS接口、測試IIS接口以及運用IIS接口來(lái)播放一段音樂(lè )的程序設計基本流程，流程圖如圖3所示。錄音和循環(huán)播放功能的設計流程與放音類(lèi)似，這里不再贅述。

　　圖3 IIS接口功能測試軟件設計流程圖

　　6 結論

　　本文介紹了一種基于IIS總線(xiàn)的嵌入式音頻系統，該系統簡(jiǎn)潔實(shí)用，可以實(shí)現音頻的采集和播放，文章具體講述了基于A(yíng)TMEL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下音頻驅動(dòng)的實(shí)現。當然，這只是本系統的主要組成部分，至于其他相關(guān)組成部分如FLASH和SDRAM等，筆者在實(shí)際設計中已經(jīng)完成，由于篇幅關(guān)系，文中沒(méi)有詳細介紹。該系統已經(jīng)在A(yíng)T91RM9200的開(kāi)發(fā)平臺上得到了實(shí)現，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，當今實(shí)時(shí)視頻處理和傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，應用也日益廣泛，如視頻會(huì )議、VOIP電話(huà)等等，本設計適當加以擴展，特別是與視頻模塊結合，即可應用于更多相關(guān)的復雜系統中。