基于ARM的樓宇對講系統(tǒng)設計參考模板

1、 基于ARM的樓宇對講系統(tǒng)設計班 級： 電信 12-2 姓 名： 李 猛 學 號： 1206110207 指導教師： 張沛泓 成 績： 電子與信息工程學院信息與通信工程系1 / 15基于ARM的樓宇對講系統(tǒng)設計摘要近年來，基于ARM內核的處理器被廣泛應用，越來越多的樓宇對講設備增加了語音、圖像等多媒體處理能力。本文利用三星的ARM9微處理器S3C2440和Philips公司的UDAl341芯片構建了一個嵌入式樓宇對講系統(tǒng)，并給出硬件電路的設計和基于Linux的基本實現(xiàn)，該系統(tǒng)可以采樣、傳輸語音信號，可以雙工通話，可以應用于網(wǎng)絡監(jiān)控、視頻傳輸?shù)榷喾N系統(tǒng)中。關鍵詞：嵌入式；ARM；Linux；音頻

2、；驅動程序1 系統(tǒng)設計思路1.1 功能分析傳統(tǒng)的對講系統(tǒng)中話路傳輸采用模擬信號傳輸，信令和數(shù)據(jù)往往采用簡單的串行通訊方式，這必然造成重復投資，布線施工及調試的難度大大增加。同時由于使用串行信號線，無法解決遠距離信號衰減等問題。隨著嵌入式處理器技術的發(fā)展，原來被廣泛采用的模擬語音通信技術正逐漸被數(shù)字語音技術所代替。雙向語音通信是樓宇對講系統(tǒng)的基本功能，如何設計一個高效率的雙向語音對講系統(tǒng)對基于其上的多種應用都有很現(xiàn)實的技術意義。由此，本文提出了一種利用三星公司的ARM9 2440處理器和Linux操作系統(tǒng)的樓宇對講系統(tǒng)。1.2 設計思路本文采用的嵌入式微處理器為三星公司的ARM9 2440處理器

3、，該芯片是一款使用ARM公司的ARM920T處理器核，180nm制造工藝的32位微控制器。其擁有獨立的16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache和存儲器管理單元，最高可運行在533MHz，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力，能夠運行完整的Linux系統(tǒng)。同時它集成了USB控制器、以太網(wǎng)控制、RTC、SPI、IIC等豐富的外圍設備，系統(tǒng)采用的硬件平臺的總體結構如圖1-1所示。本設計軟硬件采用模塊化嵌入式系統(tǒng)設計，使系統(tǒng)容易擴展，豐富了智能社區(qū)系統(tǒng)的功能。其他相關硬件有中國臺灣DAVICOM公司的以太網(wǎng)接口芯片DM9000A，該芯片集成10/100M物理層接口，內部帶有用來接收發(fā)送數(shù)據(jù)的FIFO緩存

4、SRAM 16K字節(jié)，支持8/16bit兩種主機工作模式，是實現(xiàn)嵌入式設備網(wǎng)絡接口的理想選擇。SAMSUNG公司的64M NAND FLASH芯片K9F1208；現(xiàn)代公司的32M SDRAM芯片；IIS音頻接口。2440核心板S3C2440 CPU64M SDRAM64M NAND FLASHSD卡接口3路RS232接口SPI、IIC接口2路變頻輸出3.5寸觸摸屏接口10M/100M網(wǎng)絡接口4個發(fā)光二極管4個按鍵電源、復位邏輯電路、JTAG調試接口IIS音頻接口2路USB接口圖1-1 系統(tǒng)硬件設計結構圖2 系統(tǒng)設計2.1 音頻硬件設計S3C2440內置數(shù)字音頻接口IIS，IIS（Inter-I

5、C Sound）是Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。目前很多音頻芯片和MCU都提供了對IIS的支持，UDA1341就是Philips公司生產(chǎn)的一款通用的支持IIS接口的音頻芯片，其采用位流轉換技術進行信號處理，具有可編程增益放大器（PGA）和數(shù)字自動增益控制器（AGC），提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個聲道。由于IIS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，因此UDA1341還內置用于傳輸控制信號的L3總線接口，L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入/輸出音頻信號的高低音及音量大小等，UDA1341的L3總線由時鐘、數(shù)據(jù)、模式3根線構成，UDA1341和S3C2440的連接如圖2-1所示

6、。由于S3C2440具備IIS總線接口，所以可直接外接8/16比特的立體聲CODEC，它還可以給FIFO通道提供DMA傳輸模式，從而使數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同時進行。IIS為了處理聲音數(shù)據(jù)，提供了4根串行總線：串行數(shù)據(jù)輸入（I2SSDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（I2SSDO）、左右聲道選擇（IISLRCK）和串行位時鐘（IISCLK）。另外，CDCLK為UDA1341芯片提供音頻A/D、D/A采樣時的時鐘信號。S3C2440的IIS總線信號與UDAl34l的IIS信號直接相連。圖2-1 UDA1341硬件原理圖S3C2440的TOUT2、TCLK0和TOUT3通用數(shù)據(jù)輸出引腳和UDA1341TS的引腳L3MO

7、DE、L3CLOCK和L3DATA分別連接，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小，UDAl34l對外提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個聲道，本設計使用了其中的一組。UDAl34l的VOUTL、VOUTR分別經(jīng)過電容C405、C406和電阻R400、R401、R402、R403組成的低通濾波電路和揚聲器相連接。VINL1、VINR1經(jīng)過電容C407和話筒相連4。2.2 音頻驅動的實現(xiàn)音頻設備驅動程序除了對硬件的控制實現(xiàn)音頻流的傳輸，還要向上層提供標準的音頻接口。設備驅動程序需要完成的工作包括：對設備以及資源初始化及釋放；讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)轉交給系統(tǒng)底層處理，并回送應用

8、程序請求的數(shù)據(jù)。UDA1341芯片的驅動程序結構如圖2-2所示，從上到下可以劃分為：用戶接口層、數(shù)據(jù)I/O層、硬件接口層三個層次2。設備驅動的具體實現(xiàn)包括設備初始化、DSP驅動、MIXER驅動和釋放設備四部分。MIXER（混音器）和DSP（數(shù)字信號處理器）是兩個最基本的音頻設備，MIXER的作用是將多個信號組合或者疊加在一起，在Linux系統(tǒng)中，其對應的設備文件是/dev/mixer，DSP為編解碼器，實現(xiàn)錄音和放音功能，其對應的設備文件是/dev/dsp。UDA1341設備驅動用戶接口層：DSP設備驅動、MIXER設備驅動DMA方式數(shù)據(jù)輸入DMA方式數(shù)據(jù)輸出UDA1341硬件接口層一層二層三

9、層圖2-2 音頻芯片的驅動程序結構框圖2.3 DSP驅動的實現(xiàn)DSP設備讀取數(shù)據(jù)時，從麥克輸入的模擬信號經(jīng)過低通濾波以后發(fā)送給A/D轉換器，A/D轉換器將模擬信號轉變成數(shù)字信號并保存在音頻驅動程序的內核緩沖區(qū)中，同時還要向應用程序提供read()系統(tǒng)調用接口。當向DSP設備寫入數(shù)據(jù)時，數(shù)字信號會經(jīng)過D/A轉換器變成模擬信號，應用程序可以通過write()系統(tǒng)調用完成這個過程。DSP驅動實現(xiàn)的主要工作就是完成file_operations中的open()、read()、write()、ioctl()等函數(shù)，其中ioct l()函數(shù)能夠對采樣率、量化精度、DMA緩沖區(qū)塊大小等參數(shù)進行設置1。為了提

10、高傳輸速度和系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)使用DMA技術直接將需要回放或錄制的聲音存放在內核的DMA緩存區(qū)中，由于S3C2440的DMA控制器沒有內置的DMA存儲區(qū)域，因而驅動程序必須在內存中為音頻設備分配DMA緩存區(qū)。緩沖區(qū)大小的設置對系統(tǒng)性能有很大的影響，因為音頻數(shù)據(jù)量通常較大，緩存太小容易造成緩存溢出，而如果要填充大的緩沖區(qū)，CPU就要一次處理大量的數(shù)據(jù)，這樣處理數(shù)據(jù)時間較長，容易造成延遲。為此，本文采用一個環(huán)形緩沖區(qū)（ring buffer），將DMA緩沖區(qū)分成多個固定大小的塊，塊的大小可以通過ioctl()系統(tǒng)調用來調整，驅動程序每次在聲音緩沖區(qū)傳送一個塊的數(shù)據(jù)到用戶的應用程序中?？刂蒲h(huán)緩沖區(qū)的

11、兩個結構為：typedef struct int size;char *start;dma_addr_t dma_addr;struct semaphore sem;int master; audio_buf_t;typedef struct audio_buf_t *buffers;audio_buf_t *buf;u_int buf_idx;u_int fragsize;u_int nbfrags;dmach_t dma_ch; audio_stream_t;audio_buf_t內記錄了每個DMA緩存區(qū)的長度、虛擬地址、物理地址以及一個用來防止多個write對緩存區(qū)同時操作的信號量。au

12、dio_stream_t內包含了指向循環(huán)緩存區(qū)開始的指針，正被使用的緩存區(qū)的指針，每個緩存區(qū)的大小，緩存區(qū)的個數(shù)以及使用的DMA通道號。如果要驅動DSP，還需要注冊一個DSP設備，注冊函數(shù)為：Int register_sound_dsp(struct_file_operatio ns *fops,int dev);參數(shù)fops是一個文件操作接口，第二個參數(shù)dev是設備編號，如果值為-1，則系統(tǒng)自動分配一個設備編號。2.4 MIXER驅動的實現(xiàn)MIXER驅動只控制混音效果，可以控制輸入/輸出音頻信號的低音及音量大小等2。其中最主要的函數(shù)為：static int mixdev_ioctl(stru

13、ct inode* inod,struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg);ioctl()函數(shù)通過不同的I/O控制命令來實現(xiàn)MIXER的不同功能。本文實現(xiàn)的主要控制命令如表2-1。用戶的應用程序可以調用ioctl()函數(shù)對MIXER進行控制。表2-1 MIXER主要控制命令控制命令注釋SOUND_MIXER_INFO返回MIXER信息SOUND_MIXER_READ_STEREODEVS獲取設備對立體聲的支持SOUND_MIXER_READ_CAPS獲取聲卡能力SOUND_MIXER_WRITE_VOLUME錄音音量調節(jié)SOUND

14、_MIXER_READ_VOLUME放音音量調節(jié)SOUND_MIXER_READ_IGAIN放音增益調節(jié)SOUND_MIXER_WRITE_IGAIN錄音增益調節(jié)2.5 L3接口的設計L3接口由S3C2440的引腳TOUT2、TCLK0和TOUT3組成，與S3C2440的B組通用寄存器GBB2、GPB3、GPB4復用。在設備MIXER工作之前，需要對這些端口進行初始化，本文是用了下面的宏將引腳初始化為輸出模式，低電平觸發(fā)2。set_gpio_ctrl(GPIO_MODE_OUT | GPIO_PULLUP_DIS | GPIO_B4);set_gpio_ctrl(GPIO_MODE_OUT |

15、 GPIO_PULLUP_DIS | GPIO_B3);set_gpio_ctrl(GPIO_MODE_OUT | GPIO_PULLUP_DIS | GPIO_B2);2.6 設備的安裝與卸載在UDA1341加載模塊中，除了需要初始化IIS接口、設置L3總線對應的GPIO、設置UDA1341的工作模式外，還需要申請DMA通道和注冊DSP和MIXER接口。S3C2440具有4個DMA通道，為了實現(xiàn)存儲器和I/O之間的傳輸，本文采用DMA通道1輸出聲音數(shù)據(jù)，DMA通道2來輸入聲音數(shù)據(jù)，其初始化的過程代碼為：output_stream.dma_ch = DMA_CH2;if (audio_init

16、_dma(&output_stream, "UDA1341 out") audio_clear_dma(&output_stream);printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE ": unable to get DMA channelsn" );return -EBUSY; input_stream.dma_ch = DMA_CH1;if (audio_init_dma(&input_stream, "UDA1341 in") audio_clear_dma(&in

17、put_stream);printk( KERN_WARNING AUDIO_NAME_VERBOSE ": unable to get DMA channelsn" );return -EBUSY; 設備的卸載由注銷函數(shù)close()來完成。注銷函數(shù)釋放驅動程序使用的各種系統(tǒng)資源，如DMA和緩沖區(qū)等。3 系統(tǒng)工作流程3.1 工作流程設備驅動程序完成以后，就可以在用戶空間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，其程序流程如圖3-1所示。失敗打開設備文件設置緩沖區(qū)為512字節(jié)設置采樣率、位數(shù)、格式、聲道等讀/dev/dsp實現(xiàn)錄音寫/dev/dsp實現(xiàn)放音結 束啟 動成功失敗失敗圖3-1 用戶

18、錄音放音程序流程圖采樣率設置為44.1kHz，位數(shù)為16bit，格式為立體聲，雙聲道。主要實現(xiàn)了對DSP接口的讀寫，讀數(shù)據(jù)的過程就是錄音的過程，寫數(shù)據(jù)的過程就是播放的過程。測試用的讀函數(shù)代碼為：Static ssize_t audio_read(struct file *file, char *buffer, size_t count,loff_t *ppos);測試用的寫函數(shù)代碼為：Static ssize_t audio_write(struct file *file, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos);參數(shù)file是要操作的設備，在使用之

19、前必須要打開，buffer是一個環(huán)形的緩沖區(qū)，每次讀寫緩沖區(qū)的大小由count來設定，ppos為用來控制數(shù)據(jù)的指針4。3.2 數(shù)據(jù)的傳輸為了實現(xiàn)設備之間的對講，還要能夠在設備間進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸是利用SOCKET來實現(xiàn)的，在每一個終端上都實現(xiàn)了一個服務器應用程序，監(jiān)聽端口是3391，如果接收到一個響應，就利用服務器管理程序進行數(shù)據(jù)處理?？紤]到樓宇對講系統(tǒng)的特點，不會有兩個網(wǎng)絡請求同時到達同一個終端的情況，所以本文采用循環(huán)服務器模型來處理數(shù)據(jù)，在同一時刻只能處理一個客戶機請求。服務器在接收到一個客戶機請求之后，立即處理，在處理完這個請求之后再繼續(xù)下一個。在處理一個請求的過程中，下一個請求將等待。3.3 系統(tǒng)測試模型整個測試系統(tǒng)分為前端設備和終端設備兩部分，拓撲結構如圖3-2所示。圖3-2 系統(tǒng)測試模型驅動程序被單獨編譯為一個可加載的模塊，模塊的加載代碼寫在文件/etc/profile文件中，在Linux內核啟動以后，會自動執(zhí)行這個腳本文件，在控制終端可以看到有“UDA1341 audio driver initialized” 信息，說明設備已經(jīng)初始化。進入終端之后，查看設備文件名：ls -al /dev/sound/*crw- 1 root root 14, 3 Jan 1 00:00 /dev/sound/dspcrw- 1 ro