工程训练报告ARM音频控制

1、工程训练5 基于ARM的音频控制摘要基于ARM勺音频控制是在4年学习中的最后一次软硬件开发的工程训练， 利用 2 周时间完成。本次工程训练以深圳芯控科技有限公司生产的一款基于 ARM9勺嵌入式开发平台EM-SBC241为硬件开发平台，通过搭建嵌入式 Linux 的软件开发平台，完成基于 ARM勺音频控制的软硬件设计。通过此设计，使学 生掌握以ARM为控制核心的嵌入式开发板的运用、领略到基于 ARM9-Linux软硬 件平台开发的主要过程、方法和步骤，最终完成一个基于ARM9勺小型嵌入式作品。学生要完成这一工程训练工程，必须学完“单片机原理及其应用”和“嵌 入式系统原理及其应用”二门课程及其完成

2、“基于单片机的直流电动机控制” 或“基于单片机的数字钟设计”的实训工程，并综合应用这三门课程的软硬件 知识，解决实践中的实际软硬件开发问题。本次工程训练通过“嵌入式系统原 理及其应用”课程的学习，掌握嵌入式系统开发的基础知识；通过对 EM- SBC2410勺学习，了解嵌入式开发板的使用及其嵌入式系统的主要开发要点； 综合应用嵌入式Linux的C语言编程技巧，结合音频控制原理，实现基于 ARM 的音频控制。为了使学生深入理解嵌入式系统的整个开发过程，本设计采用 5 个过程实现基于ARM勺音频控制，此5个过程分别为：EM-SBC241开发板的硬 件资源及其附带的软件资源的使用阶段、嵌入式 Linu

3、x 的开发环境的搭建阶 段、基于ARM勺音频控制的需求分析及其制定设计思路阶段、硬件设计及其制 作阶段、软件设计及其调试阶段、作品联调运行及其维护阶段。要求学生按照 5 个阶段开发过程展开，以求给学生一个整个嵌入式开发的全过程。本工程训 练除了要求学生掌握运用ARM空制音频的全过程，还要求学生能够掌握以 ARM 为控制核心的嵌入式开发板的运用及其嵌入式 Linux的C语言的编程技巧。目录第一章 基本知识介绍1.1 EM-SBC241开发板简介1.2 嵌入式Linux开发的相关知识第二章 设计方案的选择和原理2.1 EM-SBC241音频接口及其控制原理2.2 基于ARM勺音频控制的放大部分的硬

4、件电路设计第三章 软件的系统安装及环境的编译3.1 REDHAT LINUX 9.0 的安装3.2 VMware Tools 的安装3.3 交叉编译器的安装3.4 以“ hello,world ”程序为例熟悉整个开发过程第四章 系统的硬件软件设计4.1 基于 ARM勺音频控制的放大部分的硬件电路设计及制作4.2 音频设备驱动程序的实现4.3 媒体播放器的移植4.4 挂 U盘播放mp3格式的歌曲第五章 性能与调试5.1 性能与调试第六章 心得体会6.1 心得体会第七章 参考文献7.1 参考文献第八章 工程训练成绩评定表8.1 工程训练成绩评定表1基本知识介绍运用EM-SBC2410勺硬件开发平台

5、进行基于 ARM勺音频控制的软硬件设计， 用到了 “嵌入式系统原理及其应用”这门课程、嵌入式 Linux开发的相关知 识、EM-SBC241C用户手册及其音频控制原理等知识。嵌入式系统原理及其应用 中主要掌握ARM的体系结构及其编程，以及嵌入式系统开发的流程。嵌入式 Linux开发的相关知识主要掌握嵌入式 Linux开发环境的搭建及其嵌入式Linux 的交叉开发流程。EM-SBC241C用户手册主要掌握如何利用基于 ARM9的开发板 的硬件资源进行设计的过程。下面简单介绍除“嵌入式系统原理及其应用”这 门课程外，此设计中要使用的一些重要知识。1.1.1 EM-SBC241开发板简介图1 EM-

6、SBC2410开发板深圳芯控科技有限公司生产的 EM-SBC241开发板在尽可能小的板面上(120mm*90mm,如图 1 所示，它集成了 64M SDRAM/I64M Na nd Flash、2M Boot Flash、RJ-45 网卡(100M)、USB Host、USB slave、标准串口、SD卡插 槽、用户按键和一些用户灯等设备接口，并且使用2.0mm插针槽引出CPU的大部分信号引脚，不仅可以作为嵌入式电脑系统的一个主板模块，而且适合于工 程或产品的原型设计。此设计在基于EM-SBC241为硬件开发平台，实现基于 ARM勺音频控制，最 终实现mp3格式音频文件的播放和控制。1.1.2

7、嵌入式Linux开发的相关知识1、嵌入式 Linux 简介linux 是一个日益成熟的操作系统，现在已经拥有大量的用户，它是由芬 兰的大学生 linus torvalds 开发的，任何人都可以复制，修改，套装发行，销 售，但不许发行时加入限制，而且必须公布源代码，以保障任何人都可以无偿 取得所有可执行文件及其源代码。比较著名的 linux 发行版本有 redhat Linux ,SUSE Linux，Turbo Linux ，Ubuntu Linux 等。国内的有北京中科红旗软件技术有限公司发布的红旗 linux ，深圳蓝点软件有限公司发布的蓝点 linux ，北京冲浪公司制作的 xterm

8、linux 等。嵌入式 Linux 是以 Linux 为基础的嵌入式操作系统，它是将日益流行的 Linux 操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作 系统，具有开放源代码、内核小、效率高、性能稳定，裁剪性好和对网络中最 常用的 TCP/IP 协议有最完备的支持等优点，被广泛应用在移动电话、个人数字 助理(PDA)、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。2 、嵌入式 Linux 的交叉开发模式Linux 交叉开发采用宿主机和目标机的模式进行。宿主机是一台运行Linux (如：RedHat)的PC机，目标机即EM-SBC241开发板。开发时使用宿 主机上的交叉编译、

9、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码，这种代码并不 能在宿主机上执行，而只能在目标机上执行。然后把可执行文件下载到目标机 上运行。调试时的方法很多，可以使用串口，以太网口等，具体使用哪种调试 方法可以根据目标机处理器所提供的支持作出选择。宿主机和目标板的处理器一般都不相同，宿主机为In tel 处理器，而目标板如EM-SBC241为SAMSUNGS3C2410。Linux 交叉开发包括 Linux 内核的开发和 Linux 应用程序的开发应用程 序的开发。有两种方式：Linux内核的开发：图2所示为本设计的开发环境以及开发流程。在主机的 RedHat Linux 操作 系统下安装 Linux

10、发行包以及交叉编译器 arm-linux-gcc 。然后对 Linux 进 行配置 (makemenuconfig) 并选择适合本开发板的相关配置，配置完成后进行编 译生成Linux映像文件zlmage。然后将该文件下载到目标板并执行图2 Linux的开发流程Linux应用程序的开发Linux应用程序的开发在宿主机一端的操作与内核开发类似，都使用 arm- lin ux-gcc编译器应用程序，不同的是，编译生成 elf 格式的文件而不是Linux映像文件。编译生成的应用程序可以通过多种方式进行调试，下面介绍 几种我们的系统中可以使用的方式： Linux应用程序以文件的方式直接将elf 格式的文

11、件加入到Linux文 件系统中，然后更新整个文件系统，然后运行目标机 Linux系统并运行应用程 序。运行目标机Linux系统，然后在目标机Linux系统中通过一些工具软 件将宿主机中的应用程序通过以太网下载到目标机Linux系统，如NFS、FTP TFTP 等。在宿主机端将Linux应用程序拷贝到U盘，然后运行目标机Linux系 统，然后在目标机Linux系统中通过挂载U盘，然后在U盘运行应用程序。3、嵌入式Linux的开发流程嵌入式linux 开发，根据应用需求的不同有不同的配置开发方法，但是一 般都要经过以下过程：建立开发环境。操作系统一般使用REDHAF LINUX版本7到9都可以，选

12、择定制安装或全部安装，通过网络下载相应的GCC交叉编译器进行安装（比如arm-linux-gcc 、arm-uclibc-gcc ），或者安装产品厂家提供的交叉编译配置开发主机。配置 MINICOM 般参数为波特率115200,数据位8 位，停止位1，无奇偶校验，软硬件控制流设为无。在 WINDOW下的超级终端 的配置也是这样。（本设计使用dn w.exe超级终端软件）MINICOM软件的作用是 作为调试嵌入式开发板信息输出的监视器和键盘输入的工具；配置网络，主要是配置 NFS 网络文件系统，需要关闭防火墙，简化嵌入 式网络调试环境设置过程。建立引导装载程序BOOTLOADER从网络上下载一些

13、公开源代码的 BOOTLOAD，如 U-BOOT BLOB VIVI、LILO、ARM-BOOTRED-BOO等，根据 自己具体芯片进行移植修改。有些芯片没有内置引导装载程序，比如三星的 ARM7 ARM9系列芯片，这样就需要编写烧写开发板上flash的烧写程序，网络 上有免费下载的 WINDOW下通过JTAG并口简易仿真器烧写 ARM外围flash 芯片的程序，也有 LINUX 下公开源代码的 J-FLASH 程序。如果不能烧写自己 的开发板，就需要根据自己的具体电路进行源代码修改。这是让系统可以正常 运行的第一步。如果你购买了厂家的仿真器当然比较容易烧写 flash 了，但是 其中的核心技

14、术是无法了解的。这对于需要迅速开发应用的人来说可以极大地 提高开发速度。下载别人已经移植好的 LINUX 操作系统，如 UCLINUX、ARM-LINUX、 PPC-LINUX等，如果有专门针对你所使用的 CPU移植好的LINUX操作系统那 是再好不过，下载后再添加自己的特定硬件的驱动程序，进行调试修改，对于 带MMU的CPU可以使用模块方式调试驱动，对于 UCLINUX这样的系统只能编 译进内核进行调试。建立根文件系统，从下载使用BUSYBOX软件进行功 能裁减，产生一个最基本的根文件系统，再根据自己的应用需要添加其他的程 序。默认的启动脚本一般都不会符合应用的需要，所以就要修改根文件系统中

15、 的启动脚本，它的存放位置位于 /etc 目录下，包括： /etc/init.d/rc.S 、 /etc/profile、/etc/.profile等，自动挂装文件系统的配置文件/etc/fstab ，具体情况会随系统不同而不同。根文件系统在嵌入式系统中一般 设为只读，需要使用 mkcramfs 、genromfs 等工具产生烧写映象文件。建立应用程序的 flash 磁盘分区，一般使用 JFFS2 或 YAFFS 文件系 统，这需要在内核中提供这些文件系统的驱动，有的系统使用一个线性 flash（NOR型） 512K 32M 有的系统使用非线性 flash （NAND型）8-512M 有的 两

16、个同时使用，需要根据应用规划 flash 的分区方案。开发应用程序，可以下载到根文件系统中，也可以放入YAFFS、 JFFS2文件系统中，有的应用程序不使用根文件系统，而是直接将应用程序和内核设 计在一起。2 设计档案的选择和原理2.1 EM-SBC2410音频接口及其控制原理Samsung S3C2410)带有I2S音频总线，因此 EM-SBC241使用一片I2S接 口的PHILIPS解码芯片UDA1341通过该芯片和相应的软件，用户可以播放 mp3 以及wav格式的音频文件，双声道的声音可以从背面的耳塞插孔直接接至耳塞 或音箱，音频输入接口可以录音。此设计通过音频放大电路的设计，结合相应

17、的控制程序，实现mp3歌曲的播放。IIS(Integrate Interface of Sound) 即集成音频接口，在上个世纪 80年 代首先被 Philips 公司用于消费产品的音频设备，是一种面向多媒体计算机的 串行数字音频总线协议。S3C2410X内置了一个IIS总线控制器，该控制器实现 到一个外部 8/16 位立体声音频编解码接口。支持 IIS 总线数据格式和 MSB- justified 数据格式，能够和其他厂商提供的多媒体编解码芯片配合使用。 S3C2410X中有两条串行数据线，一条是输入信号数据线，一条是输出信号数据 线，以同时发送和接收数据。该 IIS 接口能够读取 IIS

18、总线上的数据，同时也 为FIFO数据提供DMA勺传输模式，这样能够同时传送和接收数据。IIS 接口有 3种工作方式：正常传输模式，正常模式下使用IISCON寄存器对FIFO进行控制。如果 传输FIFO缓存为空，IISCON的第7位被设置为“ 0”，表示不能继续传输数 据，需要CPU对缓存进行处理。如果传输FIFO缓存非空，IISCON的第7位被 设置成“ 1”，表示可以继续传输数据。同样，数据接收时，如果FIFO满，标识位是“ 0”，此时，需要CPU对FIFO进行处理，如果FIFO没有满，那么标志 位是“ 1”，这个时候可以继续接收数据。 DMA模式，通过设置IISFCON寄存器可以使IIS接

19、口工作于这种模式 下。在这种模式中，FIFO寄存器组的控制权掌握在 DMA控制器上，当FIFO满 了，由DMA空制器对FIFO中的数据进行处理。DMA模式的选择由IISCON寄存 器的第 4位和第 5位控制。 传输/ 接收模式，这种模式下， IIS 数据可以同时接收和发送音频数 据。IIS 总线控制器结构如图 8.2 所示，各功能说明如下：两个5比特预除器IPSR, IPSA_A用于产生IIS总线接口的主时钟， IPSA_B用做外部CODE时钟产生器。 16字节FIFO,在发送数据时数据被写进TxFIFO,在接收数据时数据从 RxFIF O中读取。 主IISCLK产生器SCLKG在主模式下，有

20、主时钟产生串行位时钟通道产生器和状态机 CHNC IISCLK和IISLRCK有通道状态机产生并控制。 16比特移位寄存器（SFTR，在发送数据时，并行数据经由 SFTF变成 串行数据输出；在数据接收时，串行数据由SFTR转变成并行数据。IIS相关寄存器如表1所示。表1 IIS相关寄存器地址*说DSCOli.KiSiOOOOCO-1ns控制馮再谿0X10-1 曙MOD呻牝000叭I侶摄式存Ji#IlSPSROiXSiCdWCIM井AW粗+QEWO-SFCONCX-ISCflOOOC-FIFO揑制寄存黯*OXMdQJL1SE1FO ( FLtrTKY rCXEODClIO1氏FO奇书器J0X00

21、 仙UDA134是PHILIPS公司的一款经济型音频CODE，用于实现模拟音频信号 的采集和数字音频信号的模拟输出，并通过 IIS数字音频接口，实现音频信号 的数字化处理。oaicIZSSCLK1 2SLROXI2SSDILjMODEJCbOCKL3O*T*RD-47-wentWUTFAiDiiCC)EE 代KSQelNLlAS/DDiDAC)ylNRlVIK2VRER 心BDAC)vimz阳匚盯ATqHLTTtOV3FL5V5CLKBCKWbrE5T2MTWTESTICATAIJkvSXAK)L3MODE r i：iCLOCKPVS5L3D*TAL6C21DJU341T525- OJT R图

22、3 IIS总线控制器结构图如图3所示，S3C2410X勺IIS总线时钟信号 SCK与 UDA134仃S勺BCK连接，字段选择连接在 WS引脚上。UDA1341T提供两个音频通道，分别用于输入 和输出，对应的引脚连接为：IIS总线的音频输出I2SSDO对应于UDA1341TS勺 音频输入；IIS总线的音频输入I2SSDI对应于UDA1341TS勺音频输出。UDA1341TS勺L3接口相当于一个混音器控制接口，可以用来控制输入 /输出音 频信号的音量大小、低音等。L3接口的引脚L3MODEL3DATA L3CL0C分别连 接到S3C2410的 GPB2 GPB3 GPBQ个通用数据输出引脚上，实现

23、混音控制。2.2基于ARM勺音频控制的放大部分的硬件电路设计OUTL220iifCIO104 3rv-L 5 v CiTTT5 +2 |IN-尹 AIN1lOuf78:1LW86?GAudio outGNDlOiifGND图4音频放大电路此音频放大电路采用 LM386集成芯片，LM386是低电压应用的音频功率放 大集成电路，可使用电池为供电电源，输入电压范围可由 4V-12V，具有静态电 流小、输出端直流电压自动跟踪、电压增益可调、外围元件少等优点。为了能产生立体声，本设计采用双通道音频放大电路，如图4是其中的一个通道，输入由音频线引出，输出接扬声器。3软件的系统安装及环境的编译工程训练的实际

24、步骤或操作方法要根据具体的设计课题来制定，本设计的具 体操作步骤及方法如下：在进行嵌入式开发前第一步的工作就是要安装一台装有指定操作系统的PC机作宿主开发机，对于嵌入式Linux，宿主机上的操作系统一般使用RedhatLinux。本设计使用Redhat 9.0，选择定制安装或全部安装，然后安装相应的GCC交叉编译器（比如 arm-linux-gcc 、arm-uclibc-gcc ），或者安装产品厂 家提供的交叉编译器。3.1、REDHAT LINUX 9.0 的安装首先在一台PC上安装Vmware 6.5虚拟机环境，然后在虚拟机上安装 RedHat LINUX9.0，选择Custom 定制安

25、装，在选择软件 Package时最好将所 有包都安装，需要空间约 2.7G ，如果选择最后一项： everything ，即完全安 装，将安装3张光盘的全部软件，需要磁盘空间大约5G。因此建议提前为REDHAT LINUX勺安装预留大约5 15G的空间，具体视用户的硬盘空间大小来 确定，在安装完 Redhat 后还要安装 Linux 的编译器和开发库以及 ARM-Linux 的所有源代码，这些包安装后的总共需要空间大约为800M。3.2、VMware Tools 的安装在虚拟机中安装完RedHat LINUX9.0操作系统之后，接下来需要安装 VMware Tools。VMware Tools

26、相当于VMwar虚拟机的主板芯片组驱动和显卡驱动、鼠标 驱动，在安装VMware Tools后，可以极大提高虚拟机的性能，并且可以让虚拟 机分辨率以任意大小进行设置，还可以使用鼠标直接从虚拟机窗口中切换到主 机中为。其安装过程如下：从VMK单下选择安装VMware Tools，此时就会有 VMware-tools 文件映像到 CD- ROMP;把“ VMwareTool&6.5.0- 118166.i386.rpm 和VMwareTools-6.5.0-118166 .tar.gz ”文件复制 /tmp 目录 中，然后选择一种安装方式。在此我选 VMwareTools-6.0.2-59824.

27、tar.gz 。 进入/tmp 目录，解压 # tar -zxvf VMwareTools-6.5.0-118166.tar.gz 进入 /tmp vmware-tools-distrib 目录中，输入 ./vmware-install.pl 进行安装，在 安装过程中根据提示进行选择，在此我一路选择回车即可。3.3、交叉编译器的安装在安装交叉编译器前，首先要实现在 Linux中能够共享Window中的文档， 即能够把开发板所需的交叉编译器拷贝到 Linux中，然后才能进行安装。点击VM settings options Shared Folders,通过add进行F: SBC 共享目录的添 加

28、。添加的共享目录会在/mnt/hgfs目录中。交叉编译器和内核就放在 SBCK 其安装的过程如下：在根目录下新建SBC-li nux的文件名，把共享目录SBC中的内容复制到该目录下，然后在该目录下执行命令tar -zxvf arm-linux-toolchains.tgz, 并把 2.95.3 这个目录复制到 /usr/local/arm 目录中。 为了可以方便的使用 arm-linux-gcc 编译器系统，把交叉编译器设置为全局 变量，进入 /etc ，执行 vi /etc/profile , 在 pathmunge /usr/local/sbin 后 添加 pathmunge /usr/l

29、ocal/arm/2.95.3/bin ，保存退出。 测试交叉编译器 是否安装成功，首先在SBC-li nux目录下执行命令tar - zxvfSBC2410II.tgz, 并把 SBC2410II 目录复制到 /SBC-linux 目录中,然后进入目录 /SBC-linux/ SBC2410ll/examples/hello 后执行 arm-linux-gcc- o hello hello.c , 在hello目录下会生成hello.o 的目标文件。4、以“ hello,world ”程序为例熟悉整个开发过程 在PC上编辑以下源代码，并保存为 hello.c#i nclude int mai

30、n（v oid）prin tf（hello, Nan cha ng Un iversity College of Science and Tech nology!n）。return 0 。 编译hello使用以下命令编译：# arm-linux-gcc- o hello hello.c将生成hello可执行文件。 下载并运行把 U盘插入 PC 的 USB,把 /SBC-li nux/ SBC2410ll/examples/hello目录中的Hello.o目标文件复制到U盘中。然后把优盘拔下来插入到 SBC-2410X的USB HOST端 口，打开dnw.exe终端，连接好超级终端（其中波特率设

31、置为 115200bps, com设置为PC机上相对应的端口），启动EM-SBC241开发板，按照 以下命令操作：#mou nt /dev/sda1 /mnt 。挂接优盘#cp /mn t/hello /bin。 把 hello 复制到 bin 目录#hello 。执行 hello在终端上将出现“ hello, Nan cha ng Un iversity College of Scie nee and Technology! ”字样。然后输入#umount /mnt命令退出U盘。（千万记住不要 直接拔下U盘，否则有可能会对U盘造成损坏。）4系统的硬件软件设计4.1基于ARM的音频控制的放大部

32、分的硬件电路设计及制作按要求进行音频控制的放大部分的电路设计，利用protel软件画出原理图并生成PCB图，利用自己的PCB图，根据印制电路制版的整个工艺过程（在工 程训练3及其工程训练4中已经过严格的训练），制作出最后的PCB板。PCB板制作完毕后，在自己的的PCE板上进行电路的焊接并调试成功。4.2、音频设备驱动程序的实现在Linux下，音频设备驱动程序的实现与文件系统的操作密切相关。Linux 将各种设备以文件的形式给出统一的接口，如何对各种音频设备进行操作是在 Linux上进行音频编程的关键，通过内核提供的一组系统调用，应用程序能够 访问声卡驱动程序提供的各种音频设备接口，这是在 Li

33、nux下进行音频编程的 最简单也是最直接的方法。UDA134驱动程序位于：/SBC-linux/SBC2410ll/kernel/drivers/sound/s3c2410-uda1341.c，该设备驱动程序比较多，其主要模块包括：UDA1341驱动的初始化、打开音频设备、缓存区设计、ioctl系统调用和音频数据的播放和录制。4.3、媒体播放器的移植Mplayer是Linux下强大的媒体播放器，对媒体格式广泛支持，最新的版 本可以支持 Divx、H.264、MPEG4等最新的媒体格式，可以实时在线播放视频 流，是目前嵌入式媒体播放器的首选。其媒体播放器的移植过程如下： 安装和编译Mplayer

34、的源代码可以从其主页http:/www.mplayerhq.hu 下载。打开Mplayer官方网站的主页，可以看到“download”链接，单击即进入下载页面。在该页面里可以看到“ daily CVS snap shot source”的下载部分，这部分链接指向了每天提交到CVS服务器里最新的Mplayer源代码包，鼠标单击一下 开始下载。对下载的文件Mplayer-curre nt.tar.bz2解压缩：#tar zvvf Mplayer-curre nt.tar.bz2在解压缩得到的Mplayer-0.93目录下有一个脚本文件 mkall，这个文件是 一个编译脚本，在该目录下直接执行：#.

35、/mkall该脚本将配置并编译 mplay，下面是该脚本所进行的配置和编译命令：./con figure cc=usr/local/arm/2.95.3/bi n/arm-li nu x-gcc-target=arm-linux- with-extralibdir=/usr/local/2.95.3/bin/arm-linu x-gcc/lib with-extrai ncdir=usr/local/2.95.3/bi n/arm-linux/in clude/-disable-sd1 en able-static -disable- dvd nav disable-tv disable-gui - disable-mpdvdkit- enable-linux-devfsmake编译成功后，将在Mplayer-0.93目录下生成 mplayer文件，该文件为mplayer 媒体播放程序。 下载运行播放mp3歌曲(shanghaitan.mp3 )，在终端上输入#madplay /root/Docume nts sha nghaita n. mp3在终端上将出现：MPEGAudio Decoder 0.1