英創(chuàng)信息技術(shù)Linux工控主板音頻應(yīng)用簡(jiǎn)介

隨著技術(shù)的發(fā)展，在工控領(lǐng)域中，也有許多地方出現(xiàn)了音頻的身影，為了滿足客戶的需求，英創(chuàng)公司也推出了音頻的方案。考慮到成本的問(wèn)題，我們選用了市面上很便宜的USB音頻模塊，Linux內(nèi)核中已經(jīng)集成了使用ALSA架構(gòu)的音頻模塊的驅(qū)動(dòng)，市面上支持ALSA音頻驅(qū)動(dòng)的USB音頻模塊都能夠直接使用，接上后就能夠識(shí)別出音頻設(shè)備。本篇文章中使用羅技型號(hào)為5572A的音頻模塊來(lái)作為示例，來(lái)介紹對(duì)USB音頻模塊的支持。

1、Linux內(nèi)核配置

內(nèi)核配置如下：
Device Drivers --->
<*> Sound card support --->
<*> Advanced Linux Sound Architecture --->
[*] USB sound devices --->
<*> USB Audio/MIDI driver

由于系統(tǒng)中已經(jīng)集成了驅(qū)動(dòng)，所以插上USB音頻模塊后，系統(tǒng)就能識(shí)別出聲卡設(shè)備，在目錄/dev/snd下可以查看接口，使用命令cat /proc/asound/device可以查看聲卡設(shè)備。要控制聲卡設(shè)備，需要使用內(nèi)核提供的接口，接口都是由ALSA驅(qū)動(dòng)提供的。

查看聲卡設(shè)備

2、ALSA庫(kù)的移植

ALSA標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)先進(jìn)的linux聲音體系，表示高級(jí)Linux聲音體系結(jié)構(gòu)(Advanced Linux Sound Architecture)。它包含內(nèi)核驅(qū)動(dòng)集合，API庫(kù)和工具對(duì)Linux聲音進(jìn)行支持。ALSA 包含一系列內(nèi)核驅(qū)動(dòng)對(duì)不同的聲卡進(jìn)行支持，還提供了libasound的API庫(kù)。

因?yàn)槭褂昧薃LSA庫(kù)，我們?cè)诰幾g程序的時(shí)候要用到相關(guān)的頭文件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，所以在程序開(kāi)發(fā)前，需要移植alsa-lib。

alsa-lib的移植過(guò)程：

1、下載源碼：http://www.alsa-project.org/main/index.php/Download

2、轉(zhuǎn)入工作目錄：cd alsa-lib-1.0.28

3、配置，生成Makefile
./configure --host=arm-none-linux-gnueabi --prefix=/home/hzc/alsa_lib --with-configdir=/etc --with-plugindir=/lib
4、編譯 make
5、安裝 make install

編譯成功后將生成的libasound.so庫(kù)文件，將libasound.so這個(gè)庫(kù)文件放到根文件系統(tǒng)/lib目錄下。必須還要把安裝生成的 alsa.conf（在--with-configdir所指向目錄下）拷貝到英創(chuàng)主板文件系統(tǒng)中--with-configdir所指向目錄下，否則程序執(zhí)行會(huì)報(bào)錯(cuò)，建議將--with-configdir指定到/etc目錄下。到此英創(chuàng)linux主板環(huán)境下alsa-lib庫(kù)的移植就完成了。

3、音頻應(yīng)用程序簡(jiǎn)介

ALSA由許多聲卡的聲卡驅(qū)動(dòng)程序組成。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)需要使用libasound的API庫(kù)。libasound提供最高級(jí)并且編程方便的編程接口。并且提供一個(gè)設(shè)備邏輯命名功能，這樣開(kāi)發(fā)者甚至不需要知道類(lèi)似設(shè)備文件這樣的低層接口。

ALSA API 被主要分為以下幾種接口：
控制接口：提供管理聲卡注冊(cè)和請(qǐng)求可用設(shè)備的通用功能
PCM接口：管理數(shù)字音頻回放(playback)和錄音(capture)的接口。它是開(kāi)發(fā)數(shù)字音頻程序最常用到的接口。
定時(shí)器(Timer)接口：為同步音頻事件提供對(duì)聲卡上時(shí)間處理硬件的訪問(wèn)。

使用ALSA接口控制聲卡播放的典型流程為：

下面來(lái)看具體的程序，按照流程圖，首先應(yīng)該是打開(kāi)接口。API庫(kù)使用邏輯設(shè)備名而不是設(shè)備文件。設(shè)備名字可以是真實(shí)的硬件名字也可以是插件名字。硬件名字使用hw:i,j這樣的格式。其中i是卡號(hào)，j是這塊聲卡上的設(shè)備號(hào)。第一個(gè)聲音設(shè)備是hw:0,0這個(gè)別名默認(rèn)引用第一塊聲音設(shè)備。插件使用另外的唯一名字。比如 plughw:0,0表示一個(gè)插件，這個(gè)插件不提供對(duì)硬件設(shè)備的訪問(wèn)，而是提供像采樣率轉(zhuǎn)換這樣的軟件特性，硬件本身并不支持這樣的特性。

使用“plughw”接口，程序員不必過(guò)多關(guān)心硬件，而且如果設(shè)置的配置參數(shù)和實(shí)際硬件支持的參數(shù)不一致，ALSA 會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。如果使用“hw”接口，我們就必須檢測(cè)硬件是否支持設(shè)置的參數(shù)了。所以打開(kāi)設(shè)備使用如下代碼：

char name[20]=' plughw:0,0';
rc=snd_pcm_open(&handle, name , SND_PCM_STREAM_PLAYBACK, 0);
if(rc<0)
{
perror('\nopen PCM device failed:');
exit(1);
}

接下來(lái)是設(shè)置硬件參數(shù)，常用的參數(shù)介紹如下：
樣本長(zhǎng)度(sample)：樣本是記錄音頻數(shù)據(jù)最基本的單位，常見(jiàn)的有8位和16位。
通道數(shù)(channel)：該參數(shù)為1表示單聲道，2則是立體聲。
幀(frame)：楨記錄了一個(gè)聲音單元，其長(zhǎng)度為樣本長(zhǎng)度與通道數(shù)的乘積。
采樣率(rate)：每秒鐘采樣次數(shù)，該次數(shù)是針對(duì)幀而言。

為了設(shè)置音頻流的硬件參數(shù)，我們需要分配一個(gè)類(lèi)型為snd_pcm_hw_param的變量。分配用到函數(shù)宏 snd_pcm_hw_params_alloca。
snd_pcm_hw_params_alloca(?ms);

下一步，我們使用函數(shù)snd_pcm_hw_params_any來(lái)初始化這個(gè)變量，傳遞先前打開(kāi)的 PCM流句柄。
snd_pcm_hw_params_any(handle, params);

然后就可以調(diào)用API來(lái)設(shè)置我們所需的硬件參數(shù)。這些函數(shù)需要三個(gè)參數(shù)：PCM流句柄，參數(shù)類(lèi)型，參數(shù)值。我們將需要播放的wav格式文件中的這些參數(shù)讀取出來(lái)設(shè)置到硬件中。對(duì)于采樣率而言，聲音硬件并不一定就精確地支持我們所定的采樣率，但是我們可以使用函數(shù) snd_pcm_hw_params_set_rate_near來(lái)設(shè)置最接近我們指定的采樣率的采樣率。其實(shí)只有當(dāng)我們調(diào)用函數(shù) snd_pcm_hw_params后，硬件參數(shù)才會(huì)起作用。

具體的代碼如下：

snd_pcm_hw_params_alloca(?ms);//分配params結(jié)構(gòu)體
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params_alloca:');
exit(1);
}
rc=snd_pcm_hw_params_any(handle, params);//初始化params
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params_any:');
exit(1);
}
rc=snd_pcm_hw_params_set_access(handle, params, SND_PCM_ACCESS_RW_INTERLEAVED);/*初始化訪問(wèn)權(quán)限，采用交錯(cuò)模式。交錯(cuò)訪問(wèn)：在緩沖區(qū)的每個(gè) PCM 幀都包含所有設(shè)置的聲道的連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)。比如聲卡要播放采樣長(zhǎng)度是 16-bit 的 PCM 立體聲數(shù)據(jù)，表示每個(gè) PCM 幀中有 16-bit 的左聲道數(shù)據(jù)，然后是 16-bit 右聲道數(shù)據(jù)。
非交錯(cuò)訪問(wèn)：每個(gè) PCM 幀只是一個(gè)聲道需要的數(shù)據(jù)，如果使用多個(gè)聲道，那么第一幀是第一個(gè)聲道的數(shù)據(jù)，第二幀是第二個(gè)聲道的數(shù)據(jù)，依此類(lèi)推。*/

if(rc<0)
{
perror('\nsed_pcm_hw_set_access:');
exit(1);
}
//采樣位數(shù)
switch(bit/8)
{
case 1:snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_U8);
break ;
case 2:snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_S16_LE);
break ;
case 3:snd_pcm_hw_params_set_format(handle, params, SND_PCM_FORMAT_S24_LE);
break ;
}
rc=snd_pcm_hw_params_set_channels(handle, params, channels);//設(shè)置聲道,1表示單聲道，2表示立體聲
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params_set_channels:');
exit(1);
}
val = frequency;
rc=snd_pcm_hw_params_set_rate_near(handle, params, &val, &dir);//設(shè)置頻率
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params_set_rate_near:');
exit(1);
}
rc = snd_pcm_hw_params(handle, params);
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params: ');
exit(1);
}

最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，播放選定的文件。每個(gè)聲卡都有一個(gè)硬件緩存區(qū)來(lái)保存記錄下來(lái)的樣本。當(dāng)緩存區(qū)足夠滿時(shí)，聲卡將產(chǎn)生一個(gè)中斷。內(nèi)核聲卡驅(qū)動(dòng)然后使用直接內(nèi)存(DMA)訪問(wèn)通道將樣本傳送到內(nèi)存中的應(yīng)用程序緩存區(qū)。類(lèi)似地，對(duì)于回放，任何應(yīng)用程序使用DMA將自己的緩存區(qū)數(shù)據(jù)傳送到聲卡的硬件緩存區(qū)中。

這樣硬件緩存區(qū)是環(huán)緩存。也就是說(shuō)當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)緩存區(qū)末尾時(shí)將重新回到緩存區(qū)的起始位置。ALSA維護(hù)一個(gè)指針來(lái)指向硬件緩存以及應(yīng)用程序緩存區(qū)中數(shù)據(jù)操作的當(dāng)前位置。從內(nèi)核外部看，我們只對(duì)應(yīng)用程序的緩存區(qū)感興趣，應(yīng)用程序緩存區(qū)的大小可以通過(guò)ALSA庫(kù)函數(shù)調(diào)用來(lái)控制。緩存區(qū)可以很大，一次傳輸操作可能會(huì)導(dǎo)致不可接受的延遲，我們把它稱為延時(shí)(latency)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，ALSA將緩存區(qū)拆分成一系列周期(period)。

ALSA以period為單元來(lái)傳送數(shù)據(jù)。peroid_size 是PCM DMA單次傳送數(shù)據(jù)幀的大小。通過(guò)snd_pcm_hw_params_get_period_size()取得peroid_size，注意在ALSA中peroid_size是以frame為單位的，而 frame = channels * sample_size. 所以緩沖區(qū)大小的計(jì)算公式為：chunk_byte = period_size * bit_per_sample * hw_params.channels / 8（字節(jié)數(shù)(bytes) = 每周期的幀數(shù)* 樣本長(zhǎng)度(bit) * 通道數(shù) / 8 ）

rc=snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);/*獲取周期長(zhǎng)度*/
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params_get_period_size:');
exit(1);
}
size = frames * datablock;/*字節(jié)數(shù)(bytes) = 每周期的幀數(shù)* 樣本長(zhǎng)度(bit) * 通道數(shù) / 8 ，假設(shè)采樣率為16即size=frames*16*2/8*/

buffer =(char*)malloc(size);
fseek(fp,58,SEEK_SET);//定位歌曲到數(shù)據(jù)區(qū)

while (1)
{
memset(buffer,0,sizeof(buffer));
ret = fread(buffer, 1, size, fp);
if(ret == 0)
{
printf('歌曲寫(xiě)入結(jié)束\n');
break;
}
else if (ret != size)
{
}
//寫(xiě)音頻數(shù)據(jù)到PCM設(shè)備，播放
while((ret = snd_pcm_writei(handle, buffer, frames))<0)
{
usleep(2000);
if (ret == -EPIPE)
{
/*EPIPE means underrun*/
fprintf(stderr, 'underrun occurred\n');
//完成硬件參數(shù)設(shè)置，使設(shè)備準(zhǔn)備好
snd_pcm_prepare(handle);
}
else if (ret < 0)
{
fprintf(stderr, 'error from writei: %s\n',snd_strerror(ret));
}
}
}

這樣，我們便完成了一個(gè)具有播放wav文件功能的音頻程序，詳細(xì)的程序可以參考光盤(pán)中的例程。

在進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)，還需要將alsa-lib相關(guān)的頭文件添加到編譯工具的相關(guān)include目錄下，對(duì)應(yīng)英創(chuàng)公司提供eclipse編譯環(huán)境，即如下圖所示，需要將 alsa-lib安裝目錄中 include目錄下的alsa文件夾復(fù)制到 PC機(jī)的C:\Program Files (x86)\CodeSourcery\Sourcery G++ Lite\arm-none-linux-gnueabi\libc\usr\include目錄下。

alsa的應(yīng)用需要用到專(zhuān)用的動(dòng)態(tài)庫(kù)libasound.so兩個(gè)文件，所以需要將這兩個(gè)文件復(fù)制到應(yīng)用程序工程文件project目錄下，同時(shí)在eclipse環(huán)境對(duì)此程序編譯時(shí)，需要設(shè)置相應(yīng)的編譯屬性。在Project Explorer視窗下，選擇需要設(shè)置的工程文件，然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Properties項(xiàng)，在窗口中選擇C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> Sourcery G++ C++ Linker -> Libraries，如下圖所示。其中的一個(gè)窗口用于指定庫(kù)文件的名稱，一個(gè)用于指定庫(kù)文件的路徑。

這樣就能夠在eclipse的環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)了。