機車語音錄音系統的設計與實現

摘 要： 針對機車安全對語音錄音系統性能的要求，設計了由ARM微處理器與音頻處理芯片組成的嵌入式語音錄音系統。介紹了錄音系統的硬件設計方案及軟件設計要點?；贏RM處理器，應用和音頻芯片實現了對語音音頻數據流及其控制信號的傳輸，采用分段緩存技術改進了緩存管理方式，提高了系統處理速度，滿足了語音錄音實時性的要求。通過實際測試，證明該系統達到了良好的錄音效果。

關鍵詞： 微處理器； 音頻芯片； 緩存區； 設備驅動

中圖分類號： TN919?34； TP368.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0016?03

0 引 言

機車運行安全關系到旅客人身安全和財產安全，同時影響跌路系統的運行效率，因此研制一套實時性好，使用方便的機車語音錄音量系統非常重要。

語音可以采用模擬錄音方式，也可以采用工控機進行，前者使用不方便，后者的成本很高[1]。

針對機車語音錄音的要求，設計了一種實時性好、錄放方便的機車錄音系統。系統硬件主要采用基于Atmel公司的ARM處理器和飛利浦公司的音頻處理芯片。詳細介紹了硬件設計方案，和Linux環境下語音驅動程序的實現方法。

1 硬件設計

硬件系統以AT91系列ARM處理器為核心構建。

1.1 處理器簡介

Amtel公司的AT91系列ARM處理器是ARM9處理器為核心，擴展有DSP指令集，內置Java加速器，同時集成有JTAG?ICE和UART調試接口，能夠實現代碼調試，因此基于AT91系列處理器進行系統開發和調試非常方便[2]。

1.2 音頻數據總線簡介

音頻數據總線[3]是INTEL公司定義的一種面向音頻處理的系統總線，簡稱IIS（Intel IC Sound），主要音頻數據傳輸，并提供標準編解碼器。

IIS由三條串行線組成：數據線、聲道選擇線和時鐘，而編碼、控制等其他信號則另行傳送。

1.3 設計方案

基于AT91系列處理器AT91SAM9261和音頻芯片UDA1341的總體設計方案如圖1所示，其中UDA1341支持IIS，具有PGA（可編程增益）和數字AGC功能。

AT91SAM9261內部具有SSI（串行接口控制器），支持多種串行通信協議，能直接與外部8位或16位的音頻芯片相連接。通過設置AT91SAM9261的PDC控制器選擇DMA傳輸模式，從而使語音數據發送和接收可以同時進行。

音頻芯片UDA1341有兩組音頻接口，每組都有VINL2和VINR2左右兩個聲道，接口與ARM處理器的連接如圖2所示。VINR2可以用PGA和AGC對語音信號進行調理，同時可以通過軟件編程方法對語音音量的大小進行調節。

在硬件設計中，使用2個DAM通道對語音數據流進行錄放。錄音時語音數據流由IIS總線通過RD傳入，經過DMA通道1存入內部存儲器；放音時語音頻數據流從內存中通過DMA通道2傳入數據寄存器，然后通過TD將數據傳給UDA1341TS。由于DMA控制器沒有內置的緩存區域，所以需要在驅動程序編寫中申請DMA緩沖區，由于需要進行同時進行錄放，所以DMA緩存區定義為雙緩存結構。

ARM處理器的TK，TF，RD和TD四個接口分別對應連接與語音芯片的BCK，WS，DATAO和DATA1，時鐘（SYSCLOCK）則由ARM處理器的PCK2提供。

UDA1341的L3DATA（數據線）、L3MODE（模式選擇線）和L3CLOCK（時鐘）3個信號為內部L3總線接口，用于傳輸控制信號。L3MODE與ARM9處理器的PA7 I/O口相連、L3CLOCK與ARM9處理器的PA8相連，L3DATA與ARM9處理器的PA9相連， ARM處理器通用這3個I/O口線模擬L3總線時序和相應的總線協議，對語音處理參數和控制參數進行配置。

2 軟件設計

設備驅動程序是Linux操作系統內核的重要組成部分，通過驅動程序用戶可以對硬件設備操作。file_operations是Linux設備控制塊中重要的數據結構，用于訪問硬件設備。用戶對設備進行操作時，先通過用戶定義的設備號找到相應的設備驅動程序，然后讀取file_operations中相應的函數指針，然后把控制權交給該函數。

驅動程序通過硬件控制實現對語音數據流的錄制和播放[4]。語音驅動程序提供了2個標準接口：

（1）DSP接口：控制語音的錄制或播放。具體定義為：

static struct file_ops speech_fops = {

llseek：speech_llseek， //查找定位

write： speech _write， //播放

read： speech _read， //錄制

poll： speech _poll， //選擇

ioctl： speech _ioctl， //語音控制接口

open： device_open， //打開設備

release：device_release， //關閉設備

}；

（2）混頻器：用于對語音進行混音處理。具體定義為：

static struct file_ops mixer_fops = {

ioctl： mixer_ioctl， //混音控制

open： mixer_open， //打開混音設備

release： mixer_release， //關閉混音設備

}；

混合器的音效控制通過mixer_fops結構體的指針調用相應的函數來實現。

驅動程序中的DSP接口和混頻器設備文件分別定義為dev/dsp，dev/mixer。

2.1 設備初始化

調和初始化主要完成通用I/O口的設置、同步串行控制器的初始化、L3總線的初始化、DMA的初始化和初始化音頻芯片的采樣頻率及音量，并對語音設備進行注冊。這些操作都是通過初始化模塊module_init（ ）調用初始化函數uda1341_ init（ ）來實現的。

2.2 DMA設計

驅序程序中通過雙緩沖DMA分段方法，使讀寫可以同時進行，從而提高了語音的錄制和播放速度。若只設置一個DMA緩存區，則在寫操作時需要等待緩存區的數據傳輸完后才能進行后續操作，因此讀操作被阻塞，大大降低了語音處理速度。

audio_buf_t和audio_stream_t是管理循環緩存區的兩個結構，如圖3所示。具體的工作過程是：將申請到的緩存區分成N個塊，先寫塊1，然后再寫塊2，這樣就不管塊1的數據是否被傳輸完，當寫完第N個塊后，又開始回到第一個，而此時第一個緩存區相當有可能已傳輸完畢。同時驅動程序還提供了ioctl接口，給上層調用，這樣上層可以調用ioctl，根據語音數據流量來調整緩存區數據段的大小和塊數（N），以取得最好的傳輸效果。

2.3 錄放操作的實現

設備驅動程序控制語音的錄制和播放，是驅動程序的核心。錄制和播放操作分別對應于struct file_ops 結構中的speech_read函數和speech_write函數。

錄音和播放的實現過程相似，故只對錄音過程進行討論：驅動程序首先配置DMA緩存區，錄音時讀入語音數據塊（大小為count），然后將DMA中的語音數據流按照count大小傳送到用戶的緩沖區Buffer中。每讀完一個塊后將塊插入到DMA隊列中等待下次數據傳輸。最后驅動程序改變DMA緩存塊指針，使其指向下一個DMA塊繼續讀取數據。

2.4 設備的卸載

device_exit（）函數用于卸載設備，調用注銷函數uda1341_exit（）完成。具體過程是：需要注銷設備時，首先輸入注冊設備時所得到的設備號，然后釋放驅動程序申請使用的所有資源。

2.5 語音測試

為了測試語音驅動程序工作的正確性，需要使用音頻播放器。本文使用mplayer播放器，將mplayer原碼在Linux環境下重新編譯，然后寫入SD卡中，經過Linux的mount指令將mplayer播放器掛載到根文件系統中。在超級終端下輸入Linux命令：root@at91sam9261： /mou nt/sd$：./mplayer test.mp3，就會聽到播放的聲音。超級終端反饋信息如圖4所示，其中test.mp3為要測試的音頻文件。

3 結 語

本文基于ARM9處理器與音頻芯片UDA1341構建機車語音錄音和播放系統。文中主要對硬件系統的設計方案、語音錄制和播放驅動程序的編寫要點和雙緩沖DMA分段管理方法進行了仔細說明。目前，該系統已應用于列車電臺之間的語音通話錄音，實踐證明達到了較好的錄放音效果。

參考文獻

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[3] 吳平，曹曉琳，丁鐵夫.基于ARM和DSP的語音通訊系統設計[J].計算機測量與控制，2005，13（12）：1423?1426.

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