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S3C2416裸机开发系列十八_音频驱动实现(1)

发布时间：2020-05-16 发布时间：
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在消费电子产品中，往往都会用到音频系统来播放音乐、进行通话等多媒体应用，此外，对于一些需语音提示的产品，音频部分都是不可或缺的功能。笔者此处就s3c2416的音频驱动实现作一个简单的介绍。

1. IIS音频总线

s3c2416支持IIS、PCM、AC97这三种音频接口，此处只分析IIS音频接口。IIS接口(Inter-IC Sound)在20世纪80年代首先被飞利浦公司用于消费音频，为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。IIS有以下三个主要的信号：

1) 串行时钟SCLK，也叫做位时钟(BCLK)。数字音频的每一位均需对应一个SCLK脉冲，因此位时钟频率应大于等于2*采样频率*采样位数。乘以2表示每个采样会产生左声道和右声道的数据。

2) 帧时钟LRCK，也叫做左右声道切换时钟(WS)。LRCK为1时表示传输的是右声道的数据，为0时表示传输的是左声道的数据，因此IIS是非常适合于立体声系统的。LRCK是一个占空比约50%的方波，这个频率是需要尽可能与采样频率一致的，不然无法体现原来的音频本质。

3) 串行数据SDATA，用二进制补码表示音频数据。在串行时钟SCLK脉冲下，数据一位一位出现在SDATA线上。对于具体的IIS主机或设备，为支持全双工(例如通话时需同时支持放音与录音)，串行数据线分串行输入SDI和串行输出SDO这两根。SDI用来传输采样设备数字化后的录音数据，SDO用来传输需播放的音频数据。

有时为了IIS主控制与IIS设备能够更好的同步，还需要传输一路时钟信号MCLK，也叫做主时钟。主要用于IIS设备A/D、D/A采样时的采样时钟，一般是采样频率的256倍、384倍、512倍、768倍。在满足要求的条件下，应尽可能选用较低的主时钟。

2. WM8960音频编解码器

WM8960是欧胜微电子推出的一款低功耗、高质量的立体编码解码器。该芯片内置有麦克风接口、立体声耳机驱动器以及D类立体声扬声器驱动，24比特模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。

WM8960具有三对左右声道的模拟输入，其中INPUT1专用于Mic输入，支持单端或差分的Mic信号接入。这个输入具有一个程控放大器(PGA)，并且可用自动电平控制(ALC)对Mic信号进行增益放大。其它的INPUT2、3可做为Mic差分接入的同相输入或线输入。

WM8960具有一对左右声道的耳机输出，16欧负载时，输出40mW。一对D类左右声道扬声器输出，每声道8欧负载，在1W输出功率时，具有87%的效率。一路左右声道混合输出。

3. WM8960驱动编写

声音是模拟信号，cpu是不能处理模拟信号的，并且认为模拟信号也是不具有传输性的。因此音频编解码器至少具有三个主要功能部分：模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、程控放大器(PGA)。ADC用来采样外部的模拟声音信号(如Mic录音)，进行离散化后，转换成数字音频，通过音频总线(如IIS)传输给cpu，cpu再对数字音频进行处理，如调频、混合、存储等。DAC用来把从cpu过来的数字音频信号还原成原来的模拟声音信号，DAC转换后的离散化PCM调制信号再通过滤波器真实还原出原来的模拟声音。PGA可在各个阶段对音频信号进行可编程的增益放大，例如音量的控制(可参考WM8960_HeadphoneVolume()函数)，Mic灵敏度的调节(可参考WM8960_RecorderVolume()函数)等。

WM8960在使用前必须进行初始化，即需配置音频接口IIS的参数(可参考WM8960_Init()的实现)，若进行录音，需配置录音路径的上电、接通，并进行增益的设定(具体见WM8960_RecorderStart()函数的实现)。若进行放音，需配置是耳机、扬声器等的话音路径，进行增益设定(可参考WM8960_HeadphoneStart()函数的实现)。IIS是音频接口，只能传输音频信号，因此WM8960还需另外的IIC接口，通过IIC总线写寄存器对这些配置进行设定。IIC驱动编写在前面的章节有详细的介绍，此处不再细说，WM8960模块驱动WM8960.c如下：

#include "IIC.h"

#include "WM8960.h"

 

#define VolumeLevel 7

static int RecorderVolume;

static int HeadphoneVolume;

 

// WM8960寄存器不能通过IIC读,开辟缓存记录寄存器的变化

static unsigned short WM8960_Reg[56] = {

    0x0097, 0x0097, 0x0000, 0x0000,

    0x0000, 0x0008, 0x0000, 0x000a,

    0x01c0, 0x0000, 0x00ff, 0x00ff,

    0x0000, 0x0000, 0x0000, 0x0000,

    0x0000, 0x007b, 0x0100, 0x0032,

    0x0000, 0x00c3, 0x00c3, 0x01c0,

    0x0000, 0x0000, 0x0000, 0x0000,

    0x0000, 0x0000, 0x0000, 0x0000,

    0x0100, 0x0100, 0x0050, 0x0050,

    0x0050, 0x0050, 0x0000, 0x0000,

    0x0000, 0x0000, 0x0040, 0x0000,

    0x0000, 0x0050, 0x0050, 0x0000,

    0x0002, 0x0037, 0x004d, 0x0080,

    0x0008, 0x0031, 0x0026, 0x00e9,

};

 

static void WM8960_WriteReg(unsigned char RegAddr, unsigned short Value)

{

    unsigned char Data;

    unsigned char Addr;

    // WM8960只有7位的寄存器地址,外加寄存器值第8位,构成8位数据

    Addr = (RegAddr<<1) |((Value>>8) & 0x1);

    // WM8960有9位的寄存器值,最高位与寄存器地址一齐发送

    Data = (unsigned char)Value; // 低8位寄存器值

    IIC_WriteBytes(WM8960_SlaveAddr,Addr, &Data, 1);

    WM8960_Reg[RegAddr] = Value; // 写成功后更新寄存器的值

}

 

static unsigned short WM8960_ReadReg(unsigned char RegAddr)

{

    return WM8960_Reg[RegAddr]; // 返换缓存的WM8960寄存器的值(9位)

}

 

unsigned char WM8960_HeadphoneVolume(unsigned char Control)

{

    // -10db ~ 6db (0x6f ~ 0x7f)

    unsigned char Level;

    if (Control == VolumeDown) { // 耳机音量减

        if ((0x7f-0x6f)/VolumeLevel ==0) {

            HeadphoneVolume--;

        } else {

            HeadphoneVolume -=(0x7f-0x6f)/VolumeLevel;

        }      

        if (HeadphoneVolume < 0) {

            HeadphoneVolume = 0;

        }

    } else {// 耳机音量加

        if ((0x7f-0x6f)/VolumeLevel ==0) {

            HeadphoneVolume++;

        } else {

            HeadphoneVolume +=(0x7f-0x6f)/VolumeLevel;

        }

        if (HeadphoneVolume >VolumeLevel) {

            HeadphoneVolume =VolumeLevel;

        }

    }

    if (HeadphoneVolume == 0) {

        Level = 0; // 静音

    } else {

        Level =((0x7f-0x6f)*HeadphoneVolume)/VolumeLevel + 0x6f;

    }

    // Headphone Volume Updata

    WM8960_WriteReg(0x02,(1<<8)|Level);

    WM8960_WriteReg(0x03,(1<<8)|Level);   

    return ((HeadphoneVolume*100)/VolumeLevel);// 返回音量百分比

}

 

void WM8960_HeadphoneStop()

{

    unsigned short RegValue;

    RegValue = WM8960_ReadReg(0x1a);

    RegValue =~((1<<8)|(1<<7)|(1<<6)|(1<<5));

    WM8960_WriteReg(0x1a, RegValue);

}

 

void WM8960_HeadphoneStart()

{  

    unsigned short RegValue;

 

    // DAC Left/Right,LOUT1/ROUT1Output Buffer Power up

    WM8960_WriteReg(0x1a, 0x01e0);             

    // Left DAC Digital Volume -28db

    WM8960_WriteReg(0x0a, 0x01c5);

    // Right DAC Digital Volume -28db

    WM8960_WriteReg(0x0b, 0x01c5); 

    // DAC Digital No mute

    WM8960_WriteReg(0x05, 0x0000);

    // Left DAC to Left Output Mixer

    WM8960_WriteReg(0x22, 0x0100);

    // Right DAC to Left Output Mixer

    WM8960_WriteReg(0x25, 0x0100); 

    // Left/Right Output Mixer Enable

    RegValue = WM8960_ReadReg(0x2f);

    RegValue |= (1<<2) |(1<<3);

    WM8960_WriteReg(0x2f, RegValue);

 

}

 

unsigned char WM8960_RecorderVolume(unsigned char Control)

{

    // -10db ~ 10db (0xaf ~ 0xd7)

    unsigned char Level;

    if (Control == VolumeDown) { //Mic灵敏度调低

        if ((0xd7-0xaf)/VolumeLevel ==0) {

            RecorderVolume--;

        } else {

            RecorderVolume -=(0xd7-0xaf)/VolumeLevel;

        }      

        if (RecorderVolume < 0) {

            RecorderVolume = 0;

        }

    } else {// Mic灵敏度调高

        if ((0xd7-0xaf)/VolumeLevel ==0) {

            RecorderVolume++;

        } else {

            RecorderVolume += (0xd7-0xaf)/VolumeLevel;

        }

        if (RecorderVolume >VolumeLevel) {

            RecorderVolume =VolumeLevel;

        }

    }

   

    Level =((0xd7-0xaf)*RecorderVolume)/VolumeLevel + 0xaf;

    // Left ADC Digital Volume Control

    WM8960_WriteReg(0x15, (1<<8)| Level);

    return ((RecorderVolume*100)/VolumeLevel);// 返回音量百分比   

}

 

void WM8960_RecorderStop()

{

    unsigned short RegValue;

    RegValue = WM8960_ReadReg(0x19);

    RegValue &=~((1<<5)|(1<<3)|(1<<1));

    WM8960_WriteReg(0x19, RegValue);

}

 

void WM8960_RecorderStart()

{

    unsigned short RegValue;

    // Mic单端接入到LINPUT1

    // VREF,Vmid Divider,PGA Left,ADCLeft,MICBIAS,Master Clock上电或使能

    WM8960_WriteReg(0x19, 0x00ea);

    // Left Channel Input PGA Enable

    RegValue = WM8960_ReadReg(0x2f);

    RegValue |= (1<<5);

    WM8960_WriteReg(0x2f, RegValue);

    // Connect Left Input PGA to LeftInput Boost mixer

    // Left Channel Input PGA BoostGain 0db

    WM8960_WriteReg(0x20, 0x0108);

    // PGA放大0db,Mic到ADC增益30db,ADC full scale level is 1.0Vrms

    WM8960_WriteReg(0x00, 0x13f);//Left Input PGA Volume 30db

}

 

void WM8960_Init(void)

{

    unsigned short RegValue;

    WM8960_WriteReg(0xf, 0); // 复位WM8960寄存器

    // VMID 2x50k,VREF上电

    WM8960_WriteReg(0x19, 0x00c0); //WM8960_POWER1

    WM8960_WriteReg(0x1a, 0x0000); //WM8960_POWER2

    WM8960_WriteReg(0x2f, 0x0000); //WM8960_POWER3

    // Slow Clock Enable,left/rightdata = left ADC

    RegValue = WM8960_ReadReg(0x17);

    WM8960_WriteReg(0x17, RegValue |(1<<2) | (1<<0));

    // SYSCLK 使用MCLK时钟,ADC/DAC采样率SYSCLK/256/1.5,即384fs

    WM8960_WriteReg(0x04, 0x0048); //WM8960_CLOCK1

    // DAC静音,不使用去加重

    WM8960_WriteReg(0x05, 0x0008); //WM8960_DACCTL1

    // 音频接口配置为I2S Format, 16位字长,slave mode

    WM8960_WriteReg(0x07, 0x0002); //WM8960_IFACE1

    // ADCLRC/GPIO1作为Jackdetect input,Mic基准电压0.9 * AVDD

    WM8960_WriteReg(0x30, 0x0002);

    // ADCLRC/GPIO1 Pin FunctionSelect GPIO pin

    WM8960_WriteReg(0x09, 0x0040); 

    // Headphone Volume Update, 0db

    WM8960_WriteReg(0x02, 0x0179);

    WM8960_WriteReg(0x03, 0x0179); 

    // Left ADC Digital Volume Control0db

    WM8960_WriteReg(0x15, 0x01c3); 

   

    RecorderVolume = VolumeLevel/2;

    HeadphoneVolume = VolumeLevel/2;   

}

WM8960模块驱动头文件WM8960.h如下：

#ifndef __WM8960_H__

#define __WM8960_H__

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

   

 

// WM8960 7位IIC设备地址

#define WM8960_SlaveAddr        0x1a

 

#define VolumeDown          0x0

#define VolumeUp            0x1

 

void WM8960_Init(void);

void WM8960_RecorderStart(void);   

void WM8960_RecorderStop(void);

unsigned char WM8960_RecorderVolume(unsigned char Control);

void WM8960_HeadphoneStart(void);

void WM8960_HeadphoneStop(void);

unsigned char WM8960_HeadphoneVolume(unsigned char Control);

   

#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif /*__WM8960_H__*/

4. IIS接口驱动

IIS最主要配置模式寄存器(IISMOD)和IIS时钟预分频寄存器(IISPSR)。IISPSR用来产生IIS基时钟，即用作编解码时钟(codec clock)，与音频编解码器约定好这个时钟后，例如384fs，是可以得到传输的音频信号的采样频率fs的，由采样率可以得到IIS总线上左右声道切换时钟频率(与采样率一致)。在约定好采样位数后，通过采样频率fs可以得到IIS总线的位时钟(BCLK)，这个时钟通常为2*fs*采样位数。这些信号同步之后，cpu与音频编解码器即能正确地一一对应传输音频数据。IISMOD主要用来设置采样位数、编解码时钟、位时钟、数据格式等信息。

音频是实时播放/录音的，任何cpu的IIS控制器均只有非常有限的FIFO，不能根据FIFO的状态采用查询或中断的方式来读写音频FIFO，因为cpu根本无法及时加载或保存音频数据，必然造成播放或录音的断续。例如，cpu需要从固态存储器加载音频数据或保存音频数据到固态存储器中，这都是需要较长的时间的。因此对于音频驱动，实用的只能是采用DMA传输方式，在IIS初始化中，除了IIS引脚配置外，还需配置DMA，并开启相应通道的DMA传输中断，具体实现可参考IIS_Init()函数。

对于实际的应用系统中，音频的播放/录音，均是边播放(录音)，边加载(保存)音频数据的，这样只需较小的音频缓存空间，加载/保存时间也被分化在较短的时间内。为了避免播放/录音的断续，通常是要采用双缓存的，即一个缓存空间在播放/录音时，另一个缓存空间就在加载/保存音频数据，通过DMA中断可快速切换使用的缓存空间。具体可参考DMA_IRQ()中断处理的实现。

在需播放音频时，必须先配置IIS Tx的相关参数，包括音频数据的采样率，采样位数，声道数。不同的采样率，IIS接口的时钟配置不一样，不同采样位数、声道数，音频数据在FIFO中的格式并不一样，因此需要告诉接口函数这些参数，具体实现可参考IIS_TxInit()函数。

解码出的PCM音频数据需要写入播放缓存中，音频数据在缓存中的格式有特定的要求，这部分的实现可参考IIS_WriteBuffer()函数。音频缓存写好后，即可通过IIS_TxStart()函数启用IIS接口传输，DMA此后会根据FIFO的状态自动传输缓存中的音频数据到FIFO中，不断解码出的PCM音频数据需不断调用IIS_WriteBuffer()函数写入缓存中，即可实现连续播放音频。

在需录音时，必须先配置IIS Rx的相关参数，包括录音的采样率，采样位数。通常对于电话级应用，采样率可设置成8k，采样位数8位，对于cd音乐级应用，采样率可设置成44.1k、16位，这已经是天籁之音了，再高的采样频率，人耳 也无法辨别。这部分的实现可参考IIS_RxInit()函数，IIS接收通道准备好后，即可通过IIS_RxStart()函数接收录制的数字音频。

录制的PCM音频数据在缓存中对不同采样位数有不同的格式，音频数据需要从缓存中读出，通过处理后(如有损无损压缩、混频等音频处理)，再保存进固态存储器中。从缓存读出录制的音频可参考IIS_ReadBuffer()函数的实现，录制时音频数据源源不断地存放进缓存中，因此需不断地调用IIS_ReadBuffer()函数读出录音数据，进行处理后保存。



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