嵌入式數字音頻解碼系統的設計與實現

引言：研究低成本、高品質的數字音頻解碼系統的設計與實現。解碼系統硬件以S3C2410微處理器、存儲器芯片以及UDA1341TS立體聲音頻解碼芯片為基本框架，實現音頻的采集、存儲和解碼播放。軟件完成操作系統、設備驅動、數字濾波以及解碼程序的移植。本解碼系統具有電路設計簡單，抗干擾性能好，解碼質量好的優點。

憑借體積小、功耗低、集成度高，處理速度快等優點[1]，嵌入式系統作為現代計算機技術重要的組成部分已得到廣泛應用。嵌入式數字音頻系統可以實現對音頻信號的采集、存儲、處理、壓縮和解碼播放等功能，已成為當今嵌入式系統應用研究的熱門領域[2]。

本設計以嵌入式系統和數字音頻系統為基礎，研究嵌入式技術在數字音頻系統中的應用。

一、系統體系結構

本系統處理器選用ARM處理器。以市場普及程度高且價格較低的三星S3C2410微處理器和HYUNDAI公司的存儲器芯片以及Philips公司的UDA1341TS立體聲音頻解碼芯片為基本框架，實現音頻的采集、存儲、去噪及解碼播放。

二、硬件結構

本設計以UP-TECH 2410開發板為實驗系統的硬件平臺，該平臺核心資源包含S3C2410微處理器及系統應用開發的大部分設備。

（一）ARM處理器

S3C2410是三星公司推出的一款32位RISC處理器，其內核基于ARM920T，采用0.18微米工藝，其主頻達到203MHZ，帶有MMU功能，同時采用新型總線結構，可以實現MMU、AMBA BUS、Harvard的高速緩沖體系結構，支持Thumb16位的壓縮指令集，能以較小的存儲空間需求，獲得32位的系統性能。

（二）IIS音頻接口

IIS（Inter-IC-Sound）總線是PHILIPS公司提供的串行數字音頻總線接口。S3C2410的IIS接口提供單獨發送/接收數據模式和同時發送接收數據模式，其中的單獨發送/接收模式又分為正常傳輸模式和DMA傳輸模式。

（三）音頻編解碼芯片

PHILIPS公司出品的全雙工低功耗音頻編、解碼專用芯片UDA1341TS作為音頻文件的解碼芯片[4]。芯片采用SSOP28封裝。該芯片集成了ADC、DAC、數字自動增益控制、編碼增益控制，該芯片支持IIS總線格式，數據傳輸字長可為16位，18位，20位。

三、軟件設計

（一）開發環境

ADS是Metrowerks公司于1993年開發的一套應用于嵌入式軟件開發的新一代集成開發環境，是ARM處理器平臺下最主要的開發工具也是目前最成熟的ARM開發工具。

（二）引導程序的移植

引導加載程序是系統加電后運行的第一段軟件代碼，BIOS進行CPU初始化，配置其他硬件并完成硬件檢測和資源分配，接著判斷出事哪一個硬盤包含了操作系統，再把MBR中的Bootloader讀到系統的RAM中，最后將控制權交給操作系統的Bootloader，跳轉到內核的入口地址處運行，隨即啟動操作系統，再由操作系統引導其他應用程序。

（三）系統內核的移植

操作系統移植的主要工作是修改與處理器相關的文件。在S3C2410上的移植UC/OS操作系統時微處理器必須滿足[5]：

（1）開發平臺的C編譯器必須能產生可重入代碼，可重入的代碼指得是一個函數可以被多個任務調用，而不必擔心會使數據破壞；

（2）程序中可以通過OS_ENTER_CRITICAL（）或者OS_EXIT_CRITICAL（）宏來控制系統關閉或打開中斷；

（3）UC/OS中通過處理器產生定時器的中斷來實現多任務之間的調度，所以處理器必須支持中斷和產生一定的定時中斷的能力，ARM920T處理器可以產生定時器中斷；

（4）寄存器的入棧和出棧是UC/OS操作系統中多任務調度的基礎，UC/OS中進行任務調度時，會把當前任務的CPU寄存器存放到該任務的堆棧中，再從另一個任務堆棧中恢復工作寄存器。

（四）S3C2410平臺的音頻驅動程序

設備驅動程序的主要功能有：⑴對設備進行初始化和釋放；⑵啟動或停止設備的運行；⑶把設備上的數據傳送到內存；⑷把數據從內存傳送到設備；⑸檢測設備狀態，處理設備出現的錯誤。

IIS接口上連接音頻編解碼芯片UDA1341TS的驅動程序包括了對UDA1341TS的L3接口的控制，在linux內核下音頻驅動程序存放在drivers/sound/S3C2410_uda1341.c文件夾下，驅動程序的入口在S3C2410_uda1341.init函數中，驅動程序的開發要根據實際的硬件結構完成接口函數的功能定義。

（五）wav文件的讀取過程分析

首先在ADS環境下建立新工程，初始化IIS包括對IISMOD、IISFCON、IISPSR、IISCON的初始化，再進一步初始化DMA寄存器。

讀取wav文件數據的過程是預先打開文件取得文件的結構指針，再判斷文件指針是否為空，如為空，則在液晶屏上提示錯誤，倘若文件指針不為空，則讀取文件信息并顯示。假設Text Filename 為打開的文件名，其可以根據wav文件名隨意設置，在字符串數組中定義為：

char TextFilename[]=\"/sys/ucos/fj/gequ.wav\"。

編寫程序代碼如下：

pfile= fopen（Text Filename，\"r\"）； //打開文件

if（pfile==NULL） { //文件打開失敗

LCD_printf（\"＼n Can't Open file！＼n\"）；

while（1）；

OSTimeDly（1000）； }

DataCount=fread（（U8*）str，512，（int）（AUDIO_IN_BUFFERSIZE*20/512），pfile）；

文件讀取完畢以后，用CloseOSFile 函數關閉文件，釋放文件緩沖區中的內存空間。

（六）數字音頻解碼

數字音頻解碼采用軟硬件結合的方法實現。以MP3文件的解碼為例說明數字音頻解碼的過程。 MP3音頻文件的最小組成單位是幀。每幀又由頭部和幀數據部分組成。幀頭為4個字節，其中幀同步標記為0xFFF，由幀頭、通道信息、增益因子信息等組成。

（七）數字濾波

由于音頻信號中存在噪聲，為消除噪聲的影響，需要對信號進行濾波。本設計采用具有“數學顯微鏡”之稱的小波分析方法對信號去噪。

四、總結

本文完成了基于ARM Linux下的嵌入式音頻系統，對驅動程序的設計及內存管理問題進行了詳細的分析、設計和說明，實現了處理效果良好的音頻解碼器。本設計實現的解碼系統具有價格低，電路設計簡單，抗干擾性能好，解碼質量好，低功耗高性能的優點，開發過程具有較好的實踐推廣意義。

參考文獻

[1]徐英慧，馬忠梅等.ARM9嵌入式系統設計--基于S3C2410與Linux[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]程呂南，方強.ARM Linux入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]劉立昶.基于ARM Linux QT 的掌上多媒體系統的設計和實現[J].電子技術，2009（9）：39-41.

[4]宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（作者單位：貴州財經大學 現代教育技術中心）