摘    要：本文以ARM EP7312和CS5341為核心設(shè)計了音頻信號采集系統(tǒng)，研究了嵌入式Linux系統(tǒng)的驅(qū)動程序設(shè)計和基于多線程、模塊化的應(yīng)用程序設(shè)計問題。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉男盘栠M行FFT變換、存儲和顯示。

在工程應(yīng)用中，通過數(shù)字采集系統(tǒng)對信號進行采集和顯示，可以獲取直觀的時域波形。但往往人們還需要從時域信息中提取出信號的其它特征，如信號的頻域信息。本設(shè)計通過數(shù)據(jù)采集電路對模擬信號進行采集，采用512點的時間抽取基2 FFT算法對采集的數(shù)據(jù)進行處理，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，可便捷地進行語音采集、顯示、處理和聲音信號的頻譜分析，適用于環(huán)境監(jiān)測及故障診斷等場合。

圖1  系統(tǒng)構(gòu)成圖

 圖2  多線程程序流程圖

圖3  信號的時域圖和頻譜圖

數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計
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，由主從模式選擇開關(guān)進行選擇。
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)計中，模擬信號經(jīng)過放大電路可放大為原來的1倍、2倍、4倍或10倍，具體可由放大倍數(shù)開關(guān)控制。放大倍數(shù)通過EP7312的通用端口控制LCD上每個刻度代表的電壓值。CS5341的工作模式為從模式，在該模式下主時鐘、串行數(shù)據(jù)時鐘和通道選擇時鐘都由EP7312提供，串行數(shù)據(jù)時鐘的頻率為通道選擇時鐘的64倍，主時鐘頻率為通道選擇時鐘的256倍。當(dāng)串行數(shù)據(jù)時鐘處于上升沿時，CS5341輸出一位數(shù)據(jù)。通道選擇時鐘高電平時左通道有效，低電平時右通道有效。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括驅(qū)動設(shè)計和應(yīng)用設(shè)計兩部分。
驅(qū)動設(shè)計
在嵌入式Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序隱藏了各種設(shè)備的具體細節(jié)，維護著設(shè)備的正常工作，在用戶與設(shè)備之間起到了橋梁作用。開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的重要工作之一。在該系統(tǒng)中，涉及兩個驅(qū)動程序：CS5341驅(qū)動和LCD驅(qū)動。EP7312為LCD的控制提供了良好的支持，驅(qū)動程序的具體設(shè)計可參照參考文獻3。
下面介紹CS5341驅(qū)動程序的設(shè)計。由于CS5341數(shù)據(jù)采集速度較快，最高達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間。而快速中斷的申請需要用到中斷處理函數(shù)的首地址和末地址，為了得到這兩個地址，中斷處理函數(shù)必須用匯編來編寫。因此，該驅(qū)動有兩個文件構(gòu)成：主文件cs5341.c和中斷文件fiq.s。在此著重說明主文件中的設(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;
 ...................................
 //注冊設(shè)備
rc= register_chrdev (cs5341_major, "CS5341", &CS5341_fops);
 ...................................
 //申請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
該系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理(FFT)和波形顯示。
數(shù)據(jù)存儲
在該模塊中，申請兩塊緩沖區(qū)buf和buffer，buf用來存放采集的數(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)置一個共享鎖，實現(xiàn)該模塊、數(shù)據(jù)的處理和顯示模塊的互斥訪問。
數(shù)據(jù)處理模塊
該模塊采用FFT算法對采集的數(shù)據(jù)進行處理。
FFT變換的具體實現(xiàn)如下：
首先進行碼位倒置，得到FFT運算所需要的輸入序列。然后采用3層循環(huán)完成N點FFT(這里N=512)。
第一層循環(huán)：“級”作為第一層循環(huán)，N點FFT運算共有M級，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，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個蝶形單元計算；第二層循環(huán)使第三層循環(huán)進行次，因此，當(dāng)?shù)诙友h(huán)完成時，共進行次蝶形單元計算；第一層循環(huán)又使第二層循環(huán)進行了M次，因此，當(dāng)?shù)谝粚友h(huán)完成時，共進行了次蝶型單元計算。
波形顯示模塊
因為要把處理前的數(shù)據(jù)和經(jīng)過FFT處理后的數(shù)據(jù)同時顯示在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，需要對數(shù)據(jù)進行處理。所采集的數(shù)據(jù)和FFT變換過的數(shù)據(jù)的范圍均為0~0XFF，0對應(yīng)于LCD上Y軸坐標(biāo)的120和210，0XFF對應(yīng)于LCD上Y軸坐標(biāo)的30和120。因此，用于顯示時域圖的數(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個數(shù)據(jù)點，點與點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)的單片機系統(tǒng)不同，Linux是一個多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)。內(nèi)核允許將一項工作劃分為幾個相互獨立的任務(wù)，這樣就縮短了整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高了系統(tǒng)性能。
在設(shè)計時采用了多線程的編程方式，從而克服了多進程編程中資源占用量多和響應(yīng)時間慢等缺點。該程序包括三個線程，流程圖如圖2所示。主線程負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，另外兩個輔助線程是在主線程的運行過程中產(chǎn)生的，分別完成數(shù)據(jù)的處理和波形的顯示。
當(dāng)輸入信號的頻率為0.377kHz (周期為2.65ms)時，該信號的時域波形及頻譜曲線如圖３所示。從圖中可以看出，通過FFT變換，輸入信號的頻率特性可以較準(zhǔn)確地反映出來。

結(jié)語
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)，充分運用了它們在音頻采集和處理方面的優(yōu)勢，可以對音頻數(shù)據(jù)流進行實時性的采集、變換、存儲和顯示，具有速度快、采樣頻率高、體積小和低功耗等特點。以該系統(tǒng)為核心技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品可應(yīng)用于醫(yī)療、運輸、娛樂等行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。