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的介紹。軟件上,，筆者以嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為平臺,，重點介紹該音頻系統(tǒng)在此平臺下的驅(qū)動程序的實現(xiàn)。
2 AT91RM9200處理器簡介
AT91RM9200是 ATMEL公司針對系統(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,，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(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,，并且能進行數(shù)字語音處理,。本設(shè)計使用的AT91RM9200處理器具有一個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負擔(dān)，還可以節(jié)省系統(tǒng)的軟件設(shè)計時間,，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,，設(shè)計的嵌入式音頻系統(tǒng)可以運用到很多類似的音頻系統(tǒng)中,。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案
由于IIS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，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(shù)最小并且保持連線簡單，IIS總線由3條信號線組成：時分復(fù)用的數(shù)據(jù)通道線,、字段選擇線和時鐘信號線,。本系統(tǒng)由系統(tǒng)主控制器提供時鐘信號，控制數(shù)字音頻數(shù)據(jù)在各個IC之間的流向,。此時,，發(fā)送器在外部時鐘信號的控制下產(chǎn)生數(shù)據(jù)，處于從模式,。
本設(shè)計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，通過總線和系統(tǒng)連接,，需要處理器提供系統(tǒng)時鐘和3根控制線,。
圖1 硬件設(shè)計簡圖
AT91RM9200的IIS控制器由5個引腳與外部的音頻編解碼器相連。這些引腳分別是：系統(tǒng)時鐘;位速率時鐘(可使用內(nèi)部或外部時鐘源);字段選擇;串行聲音輸入;串行聲音輸出,。本設(shè)計中,，UDA1341TS使用的是L3接口 ，該接口用來控制音頻信號的音量大小以及低音等,。L3接口有3個信號：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
各個引腳的連接說明如下：
SYSCLK：IIS總線的基本時鐘源,，AT91RM9200處理器的TCLK3引腳與UDA1341TS芯片的系統(tǒng)時鐘相連接。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)時鐘。系統(tǒng)時鐘頻率是可編程的,，其分頻率可以是 256,、384或512倍的采樣頻率。系統(tǒng)時鐘必須在頻率上與數(shù)字接口信號一致,。在設(shè)計中筆者用的是256fs的時鐘,。
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個通用數(shù)據(jù)輸出引腳PA0,、PA1,、PA2連接。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案
嵌入式 Linux是一種完全開放且免費的操作系統(tǒng),，其支持多種硬件體系結(jié)構(gòu),，運行穩(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)動程序提供了應(yīng)用程序和實際設(shè)備之間的一個軟件層(接口),，為應(yīng)用程序屏蔽了硬件細節(jié),。本設(shè)計中，音頻設(shè)備驅(qū)動程序主要通過對硬件的控制實現(xiàn)音頻流的傳輸,，同時向上層提供標(biāo)準(zhǔn)的音頻接口,。整個音頻驅(qū)動程序包括設(shè)備初始化、打開設(shè)備,、數(shù)字音頻處理(DSP)驅(qū)動,、混頻器(MIXER)驅(qū)動和釋放設(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)備的實現(xiàn),。
設(shè)備初始化是整個音頻驅(qū)動程序的開始部分，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(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*/
… …
/*下面兩個函數(shù)用來注冊音頻 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,、測試IIS接口以及運用IIS接口來播放一段音樂的程序設(shè)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(shè)計流程與放音類似,，這里不再贅述。
圖3 IIS接口功能測試軟件設(shè)計流程圖
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)簡潔實用,，可以實現(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)動的實現(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,，筆者在實際設(shè)計中已經(jīng)完成,，由于篇幅關(guān)系，文中沒有詳細介紹,。該系統(tǒng)已經(jīng)在AT91RM9200的開發(fā)平臺上得到了實現(xiàn),，可以順利進行音頻的采集和播放，并取得了良好的效果,。另外,，當(dāng)今實時視頻處理和傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用也日益廣泛,，如視頻會議,、VOIP電話等等，本設(shè)計適當(dāng)加以擴展,，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。