摘    要：本文以ARM EP7312和CS5341為核心設(shè)計(jì)了音頻信號(hào)采集系統(tǒng)，研究了嵌入式Linux系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和基于多線程、模塊化的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)問(wèn)題。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行FFT變換、存儲(chǔ)和顯示。

在工程應(yīng)用中，通過(guò)數(shù)字采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和顯示，可以獲取直觀的時(shí)域波形。但往往人們還需要從時(shí)域信息中提取出信號(hào)的其它特征，如信號(hào)的頻域信息。本設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，采用512點(diǎn)的時(shí)間抽取基2 FFT算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在LCD上顯示其頻譜曲線。系統(tǒng)構(gòu)建于嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上，具有嵌入式設(shè)備體積小、成本低、功耗低等特點(diǎn)，可便捷地進(jìn)行語(yǔ)音采集、顯示、處理和聲音信號(hào)的頻譜分析，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)及故障診斷等場(chǎng)合。

圖1  系統(tǒng)構(gòu)成圖

 圖2  多線程程序流程圖

圖3  信號(hào)的時(shí)域圖和頻譜圖

數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、顯示模塊這三部分組成，如圖1所示。
模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的是Cirrus Logic公司推出的24位兩通道立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS5341，其輸出為串行形式，采樣頻率從32kHz 到192kHz。它有主從兩種工作模式，由主從模式選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇。
數(shù)據(jù)處理和控制模塊采用了ARM7系列的嵌入式32位EP7312處理器，主頻為74MHz。
在該設(shè)計(jì)中，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路可放大為原來(lái)的1倍、2倍、4倍或10倍，具體可由放大倍數(shù)開(kāi)關(guān)控制。放大倍數(shù)通過(guò)EP7312的通用端口控制LCD上每個(gè)刻度代表的電壓值。CS5341的工作模式為從模式，在該模式下主時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘和通道選擇時(shí)鐘都由EP7312提供，串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘的頻率為通道選擇時(shí)鐘的64倍，主時(shí)鐘頻率為通道選擇時(shí)鐘的256倍。當(dāng)串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘處于上升沿時(shí)，CS5341輸出一位數(shù)據(jù)。通道選擇時(shí)鐘高電平時(shí)左通道有效，低電平時(shí)右通道有效。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用設(shè)計(jì)兩部分。
驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
在嵌入式Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隱藏了各種設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，維護(hù)著設(shè)備的正常工作，在用戶與設(shè)備之間起到了橋梁作用。開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的重要工作之一。在該系統(tǒng)中，涉及兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序：CS5341驅(qū)動(dòng)和LCD驅(qū)動(dòng)。EP7312為L(zhǎng)CD的控制提供了良好的支持，驅(qū)動(dòng)程序的具體設(shè)計(jì)可參照參考文獻(xiàn)3。
下面介紹CS5341驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。由于CS5341數(shù)據(jù)采集速度較快，最高達(dá)192kHz。為了與其相匹配，我們采用了快速中斷fiq。與普通中斷不同，快速中斷模式有專用的組合寄存器集,因而大大減少了中斷時(shí)間。而快速中斷的申請(qǐng)需要用到中斷處理函數(shù)的首地址和末地址，為了得到這兩個(gè)地址，中斷處理函數(shù)必須用匯編來(lái)編寫。因此，該驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)文件構(gòu)成：主文件cs5341.c和中斷文件fiq.s。在此著重說(shuō)明主文件中的設(shè)備初始化函數(shù)cs5341init()和中斷函數(shù)。
int CS5341Init(void)
{
 ..................................
//禁止中斷
  INTMR3 = 0x0;
  //設(shè)置相關(guān)寄存器
  SYSCON3 |= 0x00000008;
  DAI64FS = 0x60B;
  DAIR =0x00220404;
  DAISR =0xFFFFFFFF;
  DAIR |=0x10000;
 ...................................
 //注冊(cè)設(shè)備
rc= register_chrdev (cs5341_major, "CS5341", &CS5341_fops);
 ...................................
 //申請(qǐng)fiq
  fiqhandler_start = &dai_fiq_handler_start;
  fiqhandler_length = &dai_fiq_handler_end - &dai_fiq_handler_start;
  if (claim_fiq(&cs5341_fh))
    {
      printk("cs5341_fh: couldn't claim FIQ.\n");
       return;
     }
    set_fiq_hander(fiqhander_start, fiqhander_length);
    set_fiq_regs(regs);
  ..................................
 return 0;
}
中斷處理程序：
.....................................
.text
        .align  2
     .global dai_fiq_handler_start
        .global dai_fiq_handler_end
dai_fiq_handler_start:
//程序首地址
........................................
........................................
dai_fiq_handler_end:
//程序末地址
應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理(FFT)和波形顯示。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
在該模塊中，申請(qǐng)兩塊緩沖區(qū)buf和buffer，buf用來(lái)存放采集的數(shù)據(jù)，buffer為臨界資源。程序把數(shù)據(jù)從buf放入臨界資源buffer中，設(shè)置一個(gè)共享鎖，實(shí)現(xiàn)該模塊、數(shù)據(jù)的處理和顯示模塊的互斥訪問(wèn)。
數(shù)據(jù)處理模塊
該模塊采用FFT算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
FFT變換的具體實(shí)現(xiàn)如下：
首先進(jìn)行碼位倒置，得到FFT運(yùn)算所需要的輸入序列。然后采用3層循環(huán)完成N點(diǎn)FFT(這里N=512)。
第一層循環(huán)：“級(jí)”作為第一層循環(huán)，N點(diǎn)FFT運(yùn)算共有M級(jí)，這里，我們用m作循環(huán)變量，。
第二層循環(huán)：“組”作為第二層循環(huán)，第m級(jí)的組數(shù)為，用j作循環(huán)變量，。
第三層循環(huán)：每組里的蝶形單元作為第三層循環(huán)，每一組里共有蝶型單元2m個(gè)，用i作循環(huán)變量，。
分析上面循環(huán)可以得出：第三層循環(huán)完成2m個(gè)蝶形單元計(jì)算；第二層循環(huán)使第三層循環(huán)進(jìn)行次，因此，當(dāng)?shù)诙友h(huán)完成時(shí)，共進(jìn)行次蝶形單元計(jì)算；第一層循環(huán)又使第二層循環(huán)進(jìn)行了M次，因此，當(dāng)?shù)谝粚友h(huán)完成時(shí)，共進(jìn)行了次蝶型單元計(jì)算。
波形顯示模塊
因?yàn)橐烟幚砬暗臄?shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)FFT處理后的數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在LCD上，所以，把LCD的上半屏分配給未處理的數(shù)據(jù)，用于顯示時(shí)域圖；下半屏用于顯示頻譜圖。為了把波形顯示在特定的區(qū)域，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。所采集的數(shù)據(jù)和FFT變換過(guò)的數(shù)據(jù)的范圍均為0~0XFF，0對(duì)應(yīng)于LCD上Y軸坐標(biāo)的120和210，0XFF對(duì)應(yīng)于LCD上Y軸坐標(biāo)的30和120。因此，用于顯示時(shí)域圖的數(shù)據(jù)VAL與其在LCD上Y坐標(biāo)的關(guān)系式為：
Y=120-VAL×90/0XFF
用于顯示頻譜圖的數(shù)據(jù)NUM與其在LCD上Y坐標(biāo)的關(guān)系式為：
Y=210-NUM×90/0XFF
LCD一屏可顯示310個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間用矢量法直線相連。
多任務(wù)操作系統(tǒng)下的編程
與傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)不同，Linux是一個(gè)多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)。內(nèi)核允許將一項(xiàng)工作劃分為幾個(gè)相互獨(dú)立的任務(wù)，這樣就縮短了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高了系統(tǒng)性能。
在設(shè)計(jì)時(shí)采用了多線程的編程方式，從而克服了多進(jìn)程編程中資源占用量多和響應(yīng)時(shí)間慢等缺點(diǎn)。該程序包括三個(gè)線程，流程圖如圖2所示。主線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，另外兩個(gè)輔助線程是在主線程的運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的，分別完成數(shù)據(jù)的處理和波形的顯示。
當(dāng)輸入信號(hào)的頻率為0.377kHz (周期為2.65ms)時(shí)，該信號(hào)的時(shí)域波形及頻譜曲線如圖３所示。從圖中可以看出，通過(guò)FFT變換，輸入信號(hào)的頻率特性可以較準(zhǔn)確地反映出來(lái)。

結(jié)語(yǔ)
以EP7312處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS5341為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分運(yùn)用了它們?cè)谝纛l采集和處理方面的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)性的采集、變換、存儲(chǔ)和顯示，具有速度快、采樣頻率高、體積小和低功耗等特點(diǎn)。以該系統(tǒng)為核心技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可應(yīng)用于醫(yī)療、運(yùn)輸、娛樂(lè)等行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。