基于S3C2442B和WinCE的嵌入式導(dǎo)航音頻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)＊

王 興，牟衛(wèi)華，王飛雪

（國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 衛(wèi)星導(dǎo)航定位研發(fā)中心，湖南 長沙410073）

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式音頻系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是在手持及車載式衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端設(shè)備中，對利用嵌入式音頻系統(tǒng)實現(xiàn)位置、時間等信息的播報、提供語音導(dǎo)航等人機交互功能提出了新的要求。

針對Samsung公司SC2442B型ARM 9處理器良好的實時性能，結(jié)合音頻解碼芯片 WM8983的接口特點，給出了有效、實用的嵌入式音頻系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案以及基于Windows CE操作系統(tǒng)的驅(qū)動實現(xiàn)。

1 音頻播放原理

數(shù)字音頻系統(tǒng)中，通過將已存儲的一串二進制音頻數(shù)據(jù)文件再現(xiàn)原始聲音，采樣頻率越高，所能描述的聲波頻率就越高，取樣頻率和量化精度共同決定聲音還原的質(zhì)量[1]。由于人耳的聽覺范圍是20Hz～20kHz，因此，為了保證音頻的不失真，音頻數(shù)據(jù)的取樣頻率應(yīng)該高于40kHz.

本音頻系統(tǒng)播放.wav格式的音頻文件，WAV格式的文件采用脈沖編碼調(diào)制脈沖（PCM）編碼格式，取樣頻率為44.1kHz，量化值采用16位編碼。

目前，音頻系統(tǒng)通常采用IIS總線通信協(xié)議傳輸音頻數(shù)據(jù)，采用串行外設(shè)接口（SPI）、I2C、L3等多種總線方式實現(xiàn)音頻CODEC芯片的控制。

IIS（Inter－IC Sound）總線是 Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。它是一種面向多媒體的音頻總線，專用于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，對于其他信號（如控制信號等）需單獨傳輸?；跍p少引腳數(shù)目的目的，IIS總線一般只有3根串行線組成，即分時復(fù)用的數(shù)據(jù)通道線（Serial Data）、字選擇線（Word Select）、和時鐘線 （Serial Clock）[2－4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示，嵌入式音頻系統(tǒng)由S3C2442B及WM8983芯片構(gòu)成。ARM處理器完成音頻文件的讀取，音頻芯片控制信號的生成，并完成人機交互等功能。音頻芯片完成音頻的編解碼、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理等功能，通過IIS總線傳輸音頻數(shù)據(jù)，通過I2C總線實現(xiàn)對音頻CODEC芯片的控制。

S3C2442B是Samsung公司推出的一款16／32位嵌入式微處理器，該處理器內(nèi)部集成了ARM公司的ARM920T處理器內(nèi)核，內(nèi)置IIS音頻總線接口，有4路動態(tài)內(nèi)存分配（DMA）通 道[5]。S3C2442B同時支持LCD控制，在高性能和低功耗等特性方面具有極大的優(yōu)勢，便于可視化嵌入式移動設(shè)備的開發(fā)，實現(xiàn)人機交互等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

WM8983是Wolfson公司的一款高性能立體聲音頻編解碼CODEC芯片。該芯片體積小、功耗低；支持IIS總線數(shù)據(jù)格式，采用位元流單元轉(zhuǎn)換技術(shù)進行信號處理，完成聲音信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；具有可編程增益放大器和數(shù)字自動增益控制器；同時支持兩線（IIC）和三線音頻控制接口模式，控制接口實現(xiàn)簡單[6]。

設(shè)計的音頻系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示，將ARM處理器的IIS信號接口與WM8983的IIS信號直接相連，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的傳輸。將S3C2442B的3根通用輸入輸出（GPIO）信號連接到音頻CODEC的控制接口，可以通過模擬I2C總線及3線控制的時序和協(xié)議，實現(xiàn)音頻控制，同時利用S3C2442B的GPIO管腳選擇音頻芯片的控制模式。

圖2 WM8983硬件電路設(shè)計

在音頻CODEC硬件電路設(shè)計時，要充分考慮到音頻電路模擬電路與數(shù)字電路混合設(shè)計的特點，將模擬電源與數(shù)字電源隔離，以降低數(shù)字電路對于音頻電路的影響，提高音頻播放質(zhì)量。同時本音頻設(shè)計基于移動導(dǎo)航嵌入式用戶終端開發(fā)，在設(shè)計實現(xiàn)布局中，還需要著重考慮音頻信號對于導(dǎo)航信號接收性能的影響，對音頻模塊與導(dǎo)航信號射頻接收前端進行必要的屏蔽與隔離。

3 驅(qū)動軟件設(shè)計與應(yīng)用實現(xiàn)

軟件驅(qū)動程序的主要任務(wù)是將操作系統(tǒng)和外圍的硬件設(shè)備有機的結(jié)合在一起，為音頻應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的接口。

所采用的 Windows CE（WinCE）系統(tǒng)是微軟公司的一種搶先式、多任務(wù)、實時32位的嵌入式實時操作系統(tǒng)，內(nèi)置了媒體功能，支持多種嵌入式硬件體系結(jié)構(gòu)，具有模塊功能的可裁剪性和可移植性，且運行高效、穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于嵌入式產(chǎn)品開發(fā)之中[7]

在音頻驅(qū)動設(shè)計實現(xiàn)中采用通用的流接口形式實現(xiàn)，應(yīng)用程序通過文件系統(tǒng)的方式訪問驅(qū)動程序，流接口的驅(qū)動架構(gòu)如圖3所示。

圖3 WinCE流接口驅(qū)動架構(gòu)[7]

在音頻驅(qū)動設(shè)計實現(xiàn)中采用統(tǒng)一音頻驅(qū)動模型（Unified Audio），可以很好的解決單體驅(qū)動程序系統(tǒng)效率低的制約，打破傳統(tǒng)基于設(shè)備模型驅(qū)動（Model Device Drive，MDD）和平臺相關(guān)驅(qū)動（Platform Dependent Driver，PDD）[8]分層約束，提供了一種更為靈活的方式來實現(xiàn)處理器與音頻文件之間的交互。

3.1 音頻設(shè)備的初始化

音頻設(shè)備的初始化是整個音頻驅(qū)動程序的開始部分，包括對ARM處理器IIS數(shù)據(jù)格式、位時鐘、取樣時鐘的設(shè)置以及WM8983音頻芯片相關(guān)寄存器的初始化等。

IIS接口初始化通過函數(shù)IIS＿INIT（）實現(xiàn)，將GPE[0：5]設(shè)置成為IIS接口，同時配置IIS的寄存器。通過設(shè)置ARM寄存器rIISCON＝0x3F，進行IIS接口、DMA使能、IIS內(nèi)部及外部時鐘預(yù)分頻因子寄存器等使能；設(shè)置rIISMOD＝0x74，進行主從模式、主器件時鐘、數(shù)據(jù)格式等的設(shè)定；設(shè)置IISPSR＝0x55內(nèi)部及外部時鐘分頻因子；設(shè)置rIISFCON＝0xF000，進行接收和發(fā)送先入先出隊列（FIFO）工作模式選擇及使能。

WM8983的初始化通過函數(shù) WM8983＿INIT（）函數(shù)實現(xiàn)，首先設(shè)置音頻控制模式，選擇IIC控制模式，通過IIC設(shè)置WM8983中的寄存器，實現(xiàn)對芯片的初始化設(shè)置。

3.2 DMA控制的優(yōu)化實現(xiàn)

Samsung公司的ARM芯片中，為了實現(xiàn)雙工模式，使用了兩條串行數(shù)據(jù)線，分別作為輸入和輸出。此外還提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式[5]：

1）正常工作模式：該模式基于FIFO寄存器，處理器（CPU）通過輪詢的方式訪問FIFO寄存器，以IISCON寄存器的第七位作為特征位標(biāo)記接受和發(fā)送FIFO寄存器的狀態(tài)，進而控制CPU讀寫FIFO。

2）DMA模式：該模式下通過設(shè)置IISFCON寄存器可以使IIS接口竊取總線控制權(quán)，從而與系統(tǒng)隨機存儲器（RAM）進行數(shù)據(jù)交換，提高了系統(tǒng)的吞吐能力。

3）傳輸／接收模式：該模式下，IIS總線接口通過雙通道DMA同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。

音頻系統(tǒng)通常播放WAV 格式的音頻文件，數(shù)據(jù)量較大，因此，采用傳輸／接收模式的作為IIS數(shù)據(jù)傳輸模式，使用兩路DMA通道，通道1作為數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)通道，通道2作為發(fā)送數(shù)據(jù)通道。但是，由于S3C2442B處理器中沒有內(nèi)置的DMA緩存區(qū)，在驅(qū)動程序設(shè)計時，必須在S3C2442B的同步動態(tài)隨機處理器（SDRAM）中為音頻文件分配DMA緩存區(qū)[9－10]。

采用雙緩存區(qū)設(shè)置，對音頻系統(tǒng)的輸入與輸出同時分配相應(yīng)的緩存區(qū)，這樣驅(qū)動程序可以在音頻工作的同時處理傳輸進來的音頻數(shù)據(jù)，很好的提高了系統(tǒng)并行處理的能力。同時，在驅(qū)動程序中使用了環(huán)形、多段緩存的優(yōu)化設(shè)計機制[9]，在這種機制下，將緩存區(qū)分割成若干個大小相同的塊，通過驅(qū)動程序循環(huán)調(diào)用，從而解決在音頻數(shù)據(jù)量較大時產(chǎn)生聲音延時以及聲音失真的問題，保證了聲音的流暢播放。

3.3 控制接口驅(qū)動的實現(xiàn)

WM8983支持兩種控制模式：兩線模式和三線模式，并通過模式選擇（MODE）（PIN18）選擇音頻控制模式，當(dāng)MODE管腳輸入為高時，選擇三線控制模式；MODE設(shè)置為低選擇兩線模式[6]。

三線模式采用連續(xù)控制接口實現(xiàn)，利用CSB管腳產(chǎn)生鎖存（LATCH）信號標(biāo)志寄存器的讀寫。其邏輯圖如圖4所示。

圖4 三線控制模式接口時序圖

WM8983支持的兩線控制模式即為I2C總線協(xié)議，有確定的7bit器件地址：0011010。處理器通過串行同步時鐘（SCLK）和串行數(shù)據(jù)（SDIN）控制芯片中寄存器的讀寫。在SCLK信號為高時，SDIN從高電平轉(zhuǎn)換到低電平，產(chǎn)生起始位（START）標(biāo)志，啟動地址傳輸。然后處理器伴隨著SCLK傳輸8bit數(shù)據(jù)信號（7bit地址信號和1bit讀寫控制信號），WM8983在確認(rèn)接收的7bit寄存器地址有效后，在下一個SCLK時給出低電平的應(yīng)答信號（ACK），處理器在收到WM8983的應(yīng)答信號后，發(fā)送高位8bit控制數(shù)據(jù)信號（B15－B8），WM8983收到8bit數(shù)據(jù)信號后會再次給出低電平應(yīng)答信號，處理器應(yīng)答信號后，發(fā)送低8bit控制數(shù)據(jù)（B7－B0），WM8983在收到所有數(shù)據(jù)信號，并進行相應(yīng)的操作，給出應(yīng)答信號。傳輸結(jié)束后，SCLK信號為高，SDIN從低電平轉(zhuǎn)換到高電平，產(chǎn)生結(jié)束位（STOP）標(biāo)志。如圖5所示：

圖5 兩線控制模式接口時序圖

I2C總線控制模式通常又分為寄存器方式和I／O模擬方式兩種。其中I／O模擬方式方便系統(tǒng)驅(qū)動的移植，應(yīng)用也更為廣泛。采用I／O模擬方式的I2C總線模式實現(xiàn)對音頻系統(tǒng)的控制。通過函數(shù)static void SetWMRegister（U32addr，U32data）實現(xiàn)，采用I／O模擬I2C總線時，需要在每一個操作后增加一個系統(tǒng)延時，以滿足總線時序要求。

3.4 應(yīng)用程序設(shè)計

音頻系統(tǒng)應(yīng)用在基于WinCE5.0嵌入式操作系統(tǒng)的導(dǎo)航軟件應(yīng)用程序之中。在開發(fā)過程中，將音頻驅(qū)動作為動態(tài)鏈接庫，生成.dll庫文件。導(dǎo)航軟件通過調(diào)用音頻驅(qū)動程序播放已經(jīng)存儲在嵌入式設(shè)備上的WAV格式文件。

導(dǎo)航軟件與驅(qū)動程序之間的音頻狀態(tài)設(shè)置及讀取通過下面兩個函數(shù)實現(xiàn)：

short SoundStateSet（IN short sSoundState，IN bool bSwitch，IN const char＊strBootSound－Path）；

short Sound StateGet （OUT short＆sSoundState， OUT bool ＆bSwitch， OUT const char＊ ＆strBoot Sound Path）；

圖6 導(dǎo)航軟件聲音設(shè)置界面

嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)采用Embedded Visual C＋＋4.0。導(dǎo)航軟件通過中斷請求調(diào)用音頻驅(qū)動程序，完成語音功能的實現(xiàn)，同時提供人機交互界面，用戶可通過顯示屏及按鍵控制音頻系統(tǒng)聲音大小，如圖6所示。

4 結(jié) 論

結(jié)合嵌入式導(dǎo)航移動用戶終端設(shè)備研制，設(shè)計實現(xiàn)了基于S3C2442B和WM8983的嵌入式音頻系統(tǒng)，開發(fā)了基于 WinCE驅(qū)動程序，并提供了與導(dǎo)航軟件的接口。該音頻系統(tǒng)已成功應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端嵌入式設(shè)備之中，可以很好的滿足手持式導(dǎo)航設(shè)備要求的語音導(dǎo)航及位置信息播報等語音交互功能。

[1]胡力剛，許偉明.基于S3C2410和UDA1314TS的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2009，17（12）：2510－2512，2515.

[2]魏趙平.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)研究及音頻驅(qū)動實現(xiàn) [D].陜西：西安電子科技大學(xué)，2007

[3]詹群峰，李靈杰，葉利福，等.基于嵌入式Linux的音頻系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2009（10）：204－207.

[4]高建華，王 殊.基于S3C2410型微處理器和UDA1341型立體聲音頻編碼器的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子元器件，2006（6）：35－39.

[5]Sumsung Electronics.SC32442BUser′s Manual Revision 1.2[S].South Korea，2002.

[6]Wolfson microelectronics.WM8983Datasheet，Rev4.1[S].United Kingdom，2008.

[7]羅家兵，騰少華，張 巍，等.Wince.net下流接口驅(qū)動研究與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2007，23（17）：229－230，292.

[8]顧崢浩，王自強，聶文華.WinCE流驅(qū)動程序設(shè)計概述[J].微處理機，2007（3）：81－83.

[9]彭 莉.嵌入式SoC中DMA的設(shè)計與應(yīng)用 [D].上海：上海交通大學(xué)，2005.

[10]徐 睿，李 婓，王申康.基于IIS總線的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004.30（4）：7－9.