英創(chuàng)信息技術Linux工控主板音頻應用簡介

隨著技術的發(fā)展，在工控領域中，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，市面上支持ALSA音頻驅(qū)動的USB音頻模塊都能夠直接使用，接上后就能夠識別出音頻設備。本篇文章中使用羅技型號為5572A的音頻模塊來作為示例，來介紹對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，所以插上USB音頻模塊后，系統(tǒng)就能識別出聲卡設備，在目錄/dev/snd下可以查看接口，使用命令cat /proc/asound/device可以查看聲卡設備。要控制聲卡設備，需要使用內(nèi)核提供的接口，接口都是由ALSA驅(qū)動提供的。

查看聲卡設備

2、ALSA庫的移植

ALSA標準是一個先進的linux聲音體系，表示高級Linux聲音體系結(jié)構(gòu)(Advanced Linux Sound Architecture)。它包含內(nèi)核驅(qū)動集合，API庫和工具對Linux聲音進行支持。ALSA 包含一系列內(nèi)核驅(qū)動對不同的聲卡進行支持，還提供了libasound的API庫。

因為使用了ALSA庫，我們在編譯程序的時候要用到相關的頭文件和動態(tài)鏈接庫，所以在程序開發(fā)前，需要移植alsa-lib。

alsa-lib的移植過程：

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庫文件，將libasound.so這個庫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)行會報錯，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庫的移植就完成了。

3、音頻應用程序簡介

ALSA由許多聲卡的聲卡驅(qū)動程序組成。應用程序開發(fā)需要使用libasound的API庫。libasound提供最高級并且編程方便的編程接口。并且提供一個設備邏輯命名功能，這樣開發(fā)者甚至不需要知道類似設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：提供管理聲卡注冊和請求可用設備的通用功能
PCM接口：管理數(shù)字音頻回放(playback)和錄音(capture)的接口。它是開發(fā)數(shù)字音頻程序最常用到的接口。
定時器(Timer)接口：為同步音頻事件提供對聲卡上時間處理硬件的訪問。

使用ALSA接口控制聲卡播放的典型流程為：

下面來看具體的程序，按照流程圖，首先應該是打開接口。API庫使用邏輯設備名而不是設備文件。設備名字可以是真實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，j是這塊聲卡上的設備號。第一個聲音設備是hw:0,0這個別名默認引用第一塊聲音設備。插件使用另外的唯一名字。比如 plughw:0,0表示一個插件，這個插件不提供對硬件設備的訪問，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，程序員不必過多關心硬件，而且如果設置的配置參數(shù)和實際硬件支持的參數(shù)不一致，ALSA 會自動轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。如果使用“hw”接口，我們就必須檢測硬件是否支持設置的參數(shù)了。所以打開設備使用如下代碼：

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);
}

接下來是設置硬件參數(shù)，常用的參數(shù)介紹如下：
樣本長度(sample)：樣本是記錄音頻數(shù)據(jù)最基本的單位，常見的有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)：楨記錄了一個聲音單元，其長度為樣本長度與通道數(shù)的乘積。
采樣率(rate)：每秒鐘采樣次數(shù)，該次數(shù)是針對幀而言。

為了設置音頻流的硬件參數(shù)，我們需要分配一個類型為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來初始化這個變量，傳遞先前打開的 PCM流句柄。
snd_pcm_hw_params_any(handle, params);

然后就可以調(diào)用API來設置我們所需的硬件參數(shù)。這些函數(shù)需要三個參數(shù)：PCM流句柄，參數(shù)類型，參數(shù)值。我們將需要播放的wav格式文件中的這些參數(shù)讀取出來設置到硬件中。對于采樣率而言，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來設置最接近我們指定的采樣率的采樣率。其實只有當我們調(diào)用函數(shù) snd_pcm_hw_params后，硬件參數(shù)才會起作用。

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);/*初始化訪問權(quán)限，采用交錯模式。交錯訪問：在緩沖區(qū)的每個 PCM 幀都包含所有設置的聲道的連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)。比如聲卡要播放采樣長度是 16-bit 的 PCM 立體聲數(shù)據(jù)，表示每個 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)。
非交錯訪問：每個 PCM 幀只是一個聲道需要的數(shù)據(jù)，如果使用多個聲道，那么第一幀是第一個聲道的數(shù)據(jù)，第二幀是第二個聲道的數(shù)據(jù)，依此類推。*/

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);
}

最后進行數(shù)據(jù)處理，播放選定的文件。每個聲卡都有一個硬件緩存區(qū)來保存記錄下來的樣本。當緩存區(qū)足夠滿時，聲卡將產(chǎn)生一個中斷。內(nèi)核聲卡驅(qū)動然后使用直接內(nèi)存(DMA)訪問通道將樣本傳送到內(nèi)存中的應用程序緩存區(qū)。類似地，對于回放，任何應用程序使用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。也就是說當數(shù)據(jù)到達緩存區(qū)末尾時將重新回到緩存區(qū)的起始位置。ALSA維護一個指針來指向硬件緩存以及應用程序緩存區(qū)中數(shù)據(jù)操作的當前位置。從內(nèi)核外部看，我們只對應用程序的緩存區(qū)感興趣，應用程序緩存區(qū)的大小可以通過ALSA庫函數(shù)調(diào)用來控制。緩存區(qū)可以很大，一次傳輸操作可能會導致不可接受的延遲，我們把它稱為延時(latency)。為了解決這個問題，ALSA將緩存區(qū)拆分成一系列周期(period)。

ALSA以period為單元來傳送數(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)* 樣本長度(bit) * 通道數(shù) / 8 ）

rc=snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);/*獲取周期長度*/
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)* 樣本長度(bit) * 通道數(shù) / 8 ，假設采樣率為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('歌曲寫入結(jié)束\n');
break;
}
else if (ret != size)
{
}
//寫音頻數(shù)據(jù)到PCM設備，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)設置，使設備準備好
snd_pcm_prepare(handle);
}
else if (ret < 0)
{
fprintf(stderr, 'error from writei: %s\n',snd_strerror(ret));
}
}
}

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

在進行應用程序開發(fā)時，還需要將alsa-lib相關的頭文件添加到編譯工具的相關include目錄下，對應英創(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文件夾復制到 PC機的C:\Program Files (x86)\CodeSourcery\Sourcery G++ Lite\arm-none-linux-gnueabi\libc\usr\include目錄下。

alsa的應用需要用到專用的動態(tài)庫libasound.so兩個文件，所以需要將這兩個文件復制到應用程序工程文件project目錄下，同時在eclipse環(huán)境對此程序編譯時，需要設置相應的編譯屬性。在Project Explorer視窗下，選擇需要設置的工程文件，然后點擊鼠標右鍵，選擇 Properties項，在窗口中選擇C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> Sourcery G++ C++ Linker -> Libraries，如下圖所示。其中的一個窗口用于指定庫文件的名稱，一個用于指定庫文件的路徑。

這樣就能夠在eclipse的環(huán)境下進行應用程序的開發(fā)了。