（计算机应用技术专业论文）基于arm7的嵌入式音频处理系统优化设计及实现.pdf

摘要 摘要 本文研究嵌入式音频处理系统的软硬件优化没计技术。系统完成 对声旨信号进行滤波、采样、a d 变换、存储、f f t 处理，住l c di ： 显示其时域和频谱图。该系统具备网络通讯功能，可以进行远程网络 传输：可通过串口与p c 机或其他设备进行数据交换。 本论文从软、硬件两方面入手，清晰勾勒：也嵌入式音频处理系统 的丌发流程和改计原理。 采用基于d e l t a s i g m a 原j 哩的新型模数转换器件，并允分利用 a r m 系统的快速中断( f i q ) 机制，设计了音频信号采集电路及与处 理器的接u 咆蹄，简化了硬件系统结构，提高j ，系统的性能。 研究了a r m1 ：, 0 7 3 1 2 系统引导干罕序的设计方法，从所要执行的任 务、结构以及安装等方面详细研究厂没各初始化，参数传递，执行速 度，空酬占j h 量汇编和c 混合编程等问题，并给 l j 了引导挥序的 殳 计方案。 侄分析a r me p 7 3 1 2 叶1 断及快速中断的皋础上，研究了嵌入式操 作系统a r ml i i q l l x 环境卜- 两种中断的中断处理程序的设计方法。设计 了音频数据采集设备的驱动程序。介绍了两种不同类型驱动程序的设 计及加载到内核的方法。 研究了嵌入式操作系统卜的应用程序设计问题，编写的应用程序 实现了数据采集、存储、处理和显示等功能。在软件设训中，通过对 整个系统功能的分析，把整个任务划分成几个不同的子任务。利用了 a r ml i n u x 操作系统的多任务特性，采用了多线稃的编程方式，实现 r 各个功能模块在宏观上的并行处理，提高了系统运行效率。在数据 北京交通大学坝卜论立 处理线程中，采用5 1 2 点时问抽取( d i t ) 基2 的f f t 算法，实现了 对所采集的信号进行频谱分析的功能，研究了提高f f r r 运算速度的方 法。 关键词：嵌入式系统系统引导程序 数据采集f f t 设备驱动 多线程 a b s t r a c t t h i s p a p e r r e s e a r c h e st h e t e c h n o l o g y o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n i n go fe m b e d d e ds y s t e m o fa u d i os i g n a lp r o c e s s i n g - t h es y s t e m a c c o m p l i s h e sf i l t e r i n g ，c o l l e c t i n g ，a d c o n v e n i n g ，s t o r i n g a n df f r r p r o c e s s i n g o fa u d i od a t a i tc a n d i s p l a yt i m ea n ds p e c t r a li m a g e s o nl c d t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o no fn e t w o r kc o m m u n i c a t i n ga n dc a nt r a n s m i t d a t ao nn e t w o r k i tc a ne x c h a n g ed a t aw i t hp c o ro t h e rd e v i c e st h r o u g hi t s s e r i a lp o r t t h ea r t i c l ed e f i n i t e l yd e s c r i b e st h ed e v e l o p i n gf l o wa n dt h ep r i n c i p l e o fe m b e d d e da u d i o p r o c e s s i n gs y s t e m f r o m a s p e c t s o fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e i t a d o p t s an e w t y p e o fa d c h i p b a s e do nt h e p r i n c i p l e o f d e l t a s i g m aa n dm a k e s f u l lu s eo ff 1 qm e c h a n i s mo fa r m i td e s i g n sa n a u d i o s i g n a lc o l l e c t i n g c i r c u i ta n da ni n t e r f a c ec i r c u i tc o n n e c t e dw i t hc p u i ts i m p l i f i e ss t r u c t u r eo fh a r d w a r es y s t e ma n di m p r o v e ss y s t e mc a p a b i l i t y t h ea r t i c l er e s e a r c h e st h ep r o g r a m m i n gm e t h o do fa r me p 7 3 1 2 b o o t l o a d e r i tr e s e a r c h e sp r o b l e m ss u c ha sd e v i c ei n i t i a t i n g 、p a r a m e t e r p a s s i n g 、e x e c u t i n gs p e e d 、s p a c eo c c u p a n c y 、m i x e dp r o g r a m m i n go f a s s e m b l yl a n g u a g ea n dcl a n g u a g ee t cf r o ma s p e c t so fi t s m a s k s 、f r a m e a n di n s t a l l a t i o na n ds oo n a n di tg i v e st h ep r o j e c to f b o o t l o a d e r b a s e do na n a l y z i n gn o r m a li n t e r r u p t a n df a s t i n t e r r u p t o fa r m e p 7 3 1 2 ，t h ea r t i c l er e s e a r c h e s t h ed e s i g nm e t h o d so ft w ot y p e so fi n t e r r u p t d i s p o s a lp r o g r a mi n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r m l i n u x i td e s i g n s t h ed r i v e ro fa u d i os i g n a lc o l l e c t i n gd e v i c e ，a n di ti n t r o d u c e st w ot y p e s o f d e v i c ed r i v e rd e s i g n i n gm e t h o d sa n dh o w t ol o a di nk e r n e l t h ea r t i c l er e s e a r c h e s t h e a p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g n i n g i n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h ep r o g r a mr e a l i z e sf u n c t i o n ss u c ha sd a t a 北京变通人学硕上论文 c o l l e c t i n g ，s t o r i n g ，p r o c e s s i n g ，d i s p l a y i n g i n s o f t w a r e d e s i g n i n g ，t h e w h o l et a s ki sd i v i d e di n t os e v e r a ld i f f e r e n ts u bt a s k st h r o u 曲a n a l y z i n gt h e w h o l et a s k i t a d o p t s m u l t i - t h r e a d p r o g r a m m i n g ，m a k i n gu s e o ft h e c h a r a c t e ro fm u l t i t a s ko fa r ml i n u x t h i sm e t h o dm a k e s e v e r ym o d u l e e x e c u t e dc o l l a t e r a l l yi nm a c r oa n di m p r o v e ss y s t e me f f i c i e n c y s p e c t r a l a n a l y z i n gi s d o n et ot h ec o l l e c t e ds i g n a li nt h et h r e a do fd a t ad i s p o s i n g w i t hd 1 tb a s e dt w of f ta r i t h m e t i c a n di tr e s e a r c h e s t h em e t h o do f i m p r o v i n gs p e e d o ff f ta r i t h m e t i c k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m b o o t l o a d e rd a t ac o l l e c t i n gf f r d e v i c ed r i v e rm u l t i - t h r e a d 1 综述 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是相对桌面系统来讲的，儿是带有微处理器的号用软 硬件系统都可以称为嵌入式系统。它是以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等综合性要求严格的专用计算机系统。 嵌入式系统是一种专用技术，它的目的裁是要把各种应用变得更 简单、更厅便、更普遍、更适j 目。 嵌入式系统在应用数量上已经远远超过了各种通用计算机，一台 通用计算机的外部设备中就包含r5 1 0 个嵌入式微处理器。在制造 i ：业、过程控制、网络、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航 天、军事装备等方面均是嵌入式计算机的应用领域。在个人消费产品 领域中，目前嵌入式i 垃备主要有掌上电脑、智能手机等。其中，智能 手机除了提供比普通手机更为人性化的应用外，还提供了网络测览、 收发邮件和查看电予地图等功能。 嵌入式系统技术的高度发展，也给测匿与仪器技术带来了前所未 宵的发展空阅移机遇，为数据采集的微型化、网络化锚乎了道路。 1 2 嵌入式音频采集与处理系统 音频采集是指将声音信号经声电器件转换成模拟电信号之后，冉 经模数转换器转换成数字信号的过程。音频采集的最终目的是要从聚 集到的关于被测对象的大量数据中提取出有用的，反映被测量对象特 北京交通大学坝 论文 征的信息来，这就需要对数据进行处理。数字信号处理技术是利用爿 算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行变换、综合、估 值与t _ 别等加i ：处理，借以达到提取信息和便于应用目的的一种技 术。 本文所研究的嵌入式音频采集与处理系统是嵌入式系统在音频 领域的一个具体应用。我们的目标是研究一种小型的手持设备，其基 本功能是对声音信号进行滤波、采样、存储和处理：利用液晶显示屏 鼹示音频信号的时域图、频谱图等；这种设备具有网络接口，可以进 行远程网络传输或网络音频采集；具有串口，能与p c 枕或其他外设 进行数据交换。 随着计算机技术的飞速发展和普及，嵌入式音频采集及数据处理 系统也得到快速的应用和发展。它可应用到许多领域：在工业上，可 用于飞机、火车和汽车等发动机的噪音检测、分折或更进一步通过频 率分和进行故障诊断；在娱乐领域，可用于钢琴调律；医学上，在肺 音对哮喘病的分级诊断、声带损伤诊断等场合也会用到该技术。而且 随着科技的不甑发展和人们生活的需要，它的应用会越来越广。 1 3 嵌入式音频采集与处理系统的发展趋势 1 3 1 智能化、便携化发展趋势 自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到音频采集、处理 领域之后，该领域的面貌发生了f ：l 新月异的变化。相继出现的包含数 据采集、处理功能的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器， 部无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，既增加了系统功能，又 提高了技术性能。近年来，新型微处理器由于采用流水线、r i s c 结构 2 等先进技术，极大地提高了计算机的数值处理能力和速度。数据采集 与处理与计算机技术紧密的结合，已是当前该领域发展的主潮流。配 以相应的软件和硬件，计算机能够完成许多仪器、仪表的数据采集、 数据处理及其它功能。这样，一台计算机就相当十台多功能测量仪 器。凼此，有人提出了“计算机就是仪器”、“软件就是仪器”的概念。 征音频采集和数字信号处理的许多应用领域中，对十便携式多功 能的智能设备的需求越来越大。在工业应用中，便携式的数据聚集和 处理设备足工作人员的有效检测工具。它不但能准确记录被测对象的 变化情况，还可以进行数据分析，并从中提取有用信号，有时甚至能 够得出检测结论，进而直接调整系统，杜绝隐患。这种便携式和智能 化的数据采集和处理技术有以下优点：首先，它可以将数掘的采集、 处理、分析等多种功能集于一体，实现软硬件方面的资源共享。其次， 便于操作和携带的特点使采集方式更加灵活和及时。另外，采集的数 据可以方便存储，可实现数据的快速显示和传输。最后，该类设备便 1 ：组合功能扩展性好。 1 3 2 网络化发展趋势 近1 0 年来，以i n t e m e t 为代表的网络技术的出现，为音频采集、 测量及仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，嘲络化音频采集 技术与具备网络通讯功能的新型采集、处理系统应运而生。把t c p i p 协议嵌入到现场智能仪器中，使信弓的收、发都以t c p l p 方式进 j ，这样，测控系统在数据采集、信息发布、系统集成等方面都以 i n t e r n e t 互联，便于实现测控网和信息网的统，形成具有”放性、u ， 互操作性、分散性、网络化、智能化的系统。在这种系统中，传统仪 北京变通犬学硕i 论义 器设备充当着网络中独立铃点的角色，信息可传输至网络所及的任何 领域，实时、动念( 包括远程) 的在线测控成为现实。这类网络将有 与信息网络相似的体系结构和通信模型。 1 4 嵌入式技术在音频采集和处理领域中的优势 在音频采集和信号处理的智能化、网络化的发展趋势下，出现了 许多适应发展要求的新技术，其中得到了广泛应用的虚拟仪器技术具 有一定的代表性。 虚拟仪器的概念是美国n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 在2 0 世纪8 0 年代中期提出来的。所谓虚拟仪器是以通用计算机作为仪器统的硬 件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管 理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化， 是一种充分利用计算机智能资源的全新仪器系统。系统中数据分析和 结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供 一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机的能够满足应用要求的新 系统。与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优点：对采集、测试量的处 理和计算可更复杂，并且处理速度更快，测试结果的表达方式更加丰 富多样，可以方便地存储和交换测试数据，技术更新快。它的最大特 点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定 义仪器功能，满足多种多样的应用需求。由于虚拟仪器的测试功能、 面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器的软件 来改变它的功能和规模，这充分体现了”软件就是仪器”的设计思想。 一般的具有数据采集、处理、存储和显示功能的虚拟仪器系统由 被测对象、数据采集卡、p c 机及其相应软件构成。目前大多数虚拟仪 4 器都是采用l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h 一实验室虚拟仪器上程平台1 ，在这种基于图形化编程语言 的丌发环境中，通过三种编程语言v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 和 l a b v i e w 可以编写相应的应用程序，完成对系统的控制。虚拟仪器充 分利用了现有计算机的总线、接口、电源及软件资源，可以方便地利 用成熟的各种网络技术，实现采集、处理的网络化要求。 虚拟仪器具有许多优点，但也存在着不足。例如，虚拟仪器系统 在使用中受到p c 机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的 噪声电平较高，插槽数目不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺 点影响。而且，目前l a b v i e w 软件价格昂贵，使得系统的成本较高。 且基1 二p c 的方式使得该类仪器的使用空间、范圈和便携性能受到了 一定的限制，一亡作人员不能随时随地的使用虚拟仪器系统。 而由嵌入式技术实现的类似仪器具有很大的优势。嵌入式计算机 技术具有的耗电低、体积小、可靠性高、灵活方便等优点，为数据采 集和信号处理装嚣的实现提供了良好的平台。在硬件方面，嵌入式微 处理器可提供的各种接口资源十分丰富，可根据需要灵活使用。在软 件方面，嵌入式操作系统越来越成熟，多任务和实时的特性得到普遍 应用，相应的开发工具支持也更加完善。在网络方面，现代嵌入式操 作系统和嵌入式c p u 都支持t c p i p 等网络协议结构，嵌入式产品将 与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为互联网的主要 终端之一。 嵌入式技术目前的发展速度迅速，新的软硬件技术层出不穷，使 得利用嵌入式技术开发的产品成本不断降低，为嵌入式系统在音频采 集和处理技术的应用创造了有利的条件。 目前市面上有多种类似的产品，如数字声级计、频潜仪、美困f l u k 北京交通人学硕i 论殳 公司所生产的手持仪器等等。但它们功能比较单一且价格比较昂贵。 针对这种情况，之前我们设计了基于m o t o r o l am c 6 8 v z 3 2 8 的嵌入式 音频采集系统，它采用的模数转换芯片是8 位并行的t d a 8 7 0 3 。该系 统能够较好的完成音频信号的采集和处理等功能。但它也存在一些不 足之处：首先硬件设计比较复杂。因为处理器v z 3 2 8 本身没有提供 f i f o 用于数据缓冲，为了保证a d 与c p u 之间的可靠通信，该设计 在硬件方面增加了数据缓冲器i d l 7 2 0 2 l ，同时又增加了读写控制电路 以控制数据的读写。这样一方面增加了电路的设计复杂度，另方面 也增加了成本。其次，该系统的执行速度慢。这体现在以下两个方面， 一方面是中断响应速度慢，当f i f o 中的数据达到i k 时，产生中断 i r q 。由于i r q 模式没有自己单独的寄存器，所以中断i r q 发生时， 要先保存相关寄存器的值到堆栈空1 8 j 。另外，i r q 的优先级较低，当 有更高级别的中断产生时，就造成i r q 的延迟，因此1 r q 的速度相对 比较慢；另一方面是数据读取速度慢，每当从f i f o 中读出一个数据 后，c p u 需要通过端口再向f i f o 发送一个读数脉冲信号，这样才能保 证正确读出下一个单元的数据。为了解决这些蝇题，本文研究的嵌入 式音频处理系统采用了专门为音频处理设计的e p 7 3 1 2 作为处理器， 采用了2 4 位串行输出的c s 5 3 4 1 作为模数转换芯片。由于e p 7 3 1 2 本 身带有f i f o ，并且提供了用于音频数据接收的d a i 接口，这样就省 去了f i f o 电路设计，使数据采集电路的结构更加简单可靠，又简化 了硬件接口电路设计，降低了硬件成本。另外我们充分利用了a r m 体系所特有的f i q ，加快了中断蛹应速度。当中断发生时，我们所设 计的设备驱动程序自动将数据从f i f o 读到内核缓冲区，加快了数据 读取速度。另外，该系统采用了源码开放的a r m l i n u x 作为操作系统， 这样设计出来的音频处理系统不仅功能上 | 二较强大，而且价格上也有 6 综述 很大的优势。 1 5 本文的研究内容 本文研究嵌入式音频采集、处理系统的优化设计问题，包括系统 引导程序( b o o t l o a d e r ) 的分析和设计，相关驱动程序的设计，内核的 修改和编译，应用程序的设计等。具体工作包括以f 几个方面： l ，硬件设计 设计音频数据采集电路，研究采样频率为1 9 2 k h z 的串行输出的 模数转换器与e p 7 3 1 2 的接口电路。 2 系统引导程序设计 研究a r me p 7 3 1 2 系统引导程序的设计方法，包括引导程序的设 备初始化参数传递，执行速度，空间占用量，汇编和c 混合编程等 问题。从它要执行的任务、框架结构以及安装等儿个方面详细分析嵌 入式系统的引导程序并给出设计方案。 3 a r m 7 中断体系结构研究及相关驱动设计 详细研究a r m 7 体系的中断i r q 和快速f i q 中断结构，应用快 速f i q 中断技术，完成嵌入式l i n u x 操作系统下的音频数据采集设备 驱动程序设汁。同时研究m a k e f i l e 的编写方法，驱动静态加载和动态 加载到内核的方法以及内核的编泽步骤等。 4 软件设计 设计相关软件来实现数据采集、存储和显示等功能。在软件设计 中，采取多线程的设计方案，减少代码的f l a s h 占有量。选择f f t 算 法，实现对所采集的信号进行频谱分析，并且研究提高f f t 运算速度 的方法。 7 北京交通大学碗j 论文 2 系统目标及方案设计 2 1 系统目标 系统的设计目标是对声音信号进行滤波、采样、存储、处理进而 在l c d 上显示音频信号时域和频谱图。该系统具备网络通讯功能，可 以进行远程网络传输；可通过串口与p c 机或其他外设进行数据交换。 本设计对数据采集电路采集的数据采用了5 1 2 点的时问抽取基2 f f r 算法进行处理，处理后的数据在l c d 上显示得到频谱曲线。系统 的音频接收范围为i o h z 一2 0 k h z ；采样频率达1 9 2 k t z 。 该系统在硬件方面，要体积小，耗电低，适合于手持使用，同时 要其备串口和网口，便于数据传输和网络互连。 采用串行输出的a d 对数据采集的硬件电路进行改进，充分利用 a r m 体系特有的快速中断，提高系统的性能。 在软件方面，要求动态显示时域和频域波形，充分利用操作系统 多任务的特点，设计出简捷高效的应用程序。 2 2 系统的整体方案设计 2 2 1 系统的硬件方案设计 1 处理器的选取 由于该系统是一个音频采集处理系统，所以在选取处理器时应考 虑它的运算能力及系统在网络传输、文件管理、数据存储等方面的要 求。 目前，在频谱分析中广泛采用的f f t 算法可采用以下三种方式来 8 系统日杯及设计方案 实现：一种是使用专用的d s p 芯片实现相关运算处理的形式，一种是 使用f p g a ( f j e l dp r o g r a u m a b l eg a t ea r r a y ) 的形式，第三种是c p u ( 含 操作系统) 的形式。这几种实现各有优缺点。 为实现对信号进行f f t 变换的功能，可以在嵌入式c p u 的基础上 再使用单独的一片d s p 芯片，使之构成一个娟对独吨：的数字信号处理 模块。这种方案提高了f f t 变换的速度，但是也增加了整个系统的硬 件和软件的复杂性，而且采用双处理器也增加了系统的成本。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是现场可编程门阵列， 它的特点是能够通过编程的方法，产生或烧断逻辑门间的连接，达到 硬件逻辑电路设计的目的。可以将原来在c p u 或d s p 上通过顺序执行 指令来实现的信号处理算法改变为由f p g a 基于门电路的硬件实现。 这种方法可以提高f f t 的速度，但使用f p g a 也需要增加系统的硬件 成本。 采用c p u 直接实现f f t ，就是通过完全使用软件的方法，在c p u 和操作系统的支持下，使用编程语言，实现数据的f f t 交换和处理， 但运算速度相对较慢。 综合来看，d s p 和c p u 是通过执行程序完成运算：而f p g a 则是直 接以硬件方式完成，这种方式对特定的算法进行分解，可进行流水操 作和并行运算，其处理能力大大超过c p u 方式。与d s p 实现方式相比， f p g a 在速度上占有优势。在灵活性上，使用c p u 最好，d s p 次之，f p g a 最差；在开发周期和可维护性上使用c p u 最好，d s p 次之，f p g a 最差。 选择哪一种结构柬完成数字信号处理，要根据不丽的算法和具体的系 统要求而定。通常，d s p 主要针对运算复杂，实时性要求高，任务相 对单一的场合。f p g a 用于对实时性要求很高的场合。c p u 主要用于运 算复杂，实时性要求适中的场合。 9 北京交通人学硕 ：论文 对比以上各点，由于我们所设计的系统对数据的f f t 处理的实时 性要求不是很高，可以通过选取比较高的 ：作频率和适合于作f f t 处 理的处理器达到比较高的处理速度。所以我们采用c p u 运行程序的方 法实现数字信号的频谱分析功能。我们选取了a r m 系列3 2 位的处理 器e p 7 3 1 2 。它的工作频率高达7 4 m h z ，其处理能力较强，并且，此处理 器是专为处理音频信号而设计的。 2 其它硬件的选取 模数转换芯片采用的是的c s 5 3 4 1 。它与目前a r m 0 2 0 1 使用的 a d c 0 8 0 9 相比有以下优点： 精度更高：a d c 0 8 0 9 精确到8 位，而c s 5 3 4 1 精确到2 4 位； 支持的采样频率范围更广： 专门为音频信号采集设计，成本更低，仅相当于a i ) c 0 8 0 9 的1 3 一l 4 ： 信噪比高，为1 0 5 d b 。 l c d 采用的是南亚的l c b a t i 2 1 1 m 。网卡芯片使用的是r e a l t e k 公司生产的r t u j 0 1 9 。 整个硬件设计分为核心模块、模数转换模块、数据处理和控制模 块、显示模块等。它们的详细构成和工作原理将在f 一章介绍。 2 2 2 系统的软件方案设计 1 操作系统的选择 为了实现嵌入式数据采集和频谱分析，并且快速地进行存储、显 示和文件操作等操作，首先要选择一个适合的嵌入式操作系统。目前 国内外已有几十种操作系统可供选择，比如，嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 、 p s o s 、n e c u l e u s 、p a l m0 s 和w i n d o w sc e 等，目前在我国应用较多 1 0 系统h 标及设计方案 的为嵌入式l i f l u x 和w i n d o w sc e 。 嵌入式l i n u xo s 与w i n d o w sc e 相比，具有如下优点： 第 ，嵌入式l i n u x 是开放源代码的，不在存黑箱技术，遍布令 球的众多f j f l u x 爱好者都是l i f l u x ，厂：发者的强大技术支持者；而 w i n d o w sc e 是非丌放性o s ，使第三方很难实现产品定制。 第二：，嵌入式l i n u x 的源代码足公j f 的，注释丰富，文档齐全， 易于解决各种问题。 第三，嵌入式l i n l i x 的内核小、效率高；而w i n d o w sc e 在这方 面则占用过多的r a m ，应用程序庞大。 第四，嵌入式l i f l u x 是肝放源代码的o s ，在价格上极具竟争力， 适合中国国情。而使用w i n d o w sc e 需要版权费用。 第五，嵌入式l i n u x 不仅支持x 8 6 芯片，还是一个跨平台的系统。 到目前为止，它可以支持2 0 3 0 种c p u 。 第六，嵌入式l i n u x 内核的结构在网络方面是：4 e 常完整的，它提 供了对包括t 兆位、百兆位及千兆位的以太网络，还有无线网络、 t o k e nr i n g ( 令牌环) 和光纤甚至卫星的支持。 第七，嵌入式【，i f l u x 在内核结构的设计中，考虑了适应系统的可 裁减性的要求，w i n d o w sc e 在内核结构的设计中并未考虑适应系统的 高度可裁减性的要求。 由于以上几个特点和优势，结合本次设计的要求，在本课题中采 用了嵌入式l i n u x 操作系统。 2 操作系统的多任务性和应用程序设计的方案选择 多任务定义了一个操作系统同时运行多个程序的能力。理想的多 任务系统可以在几个应用程序之间如此快的切换，以至于用户可以认 为所有的程序就像同时运行样。嵌入式l i n u x 操作系统就是这样的 北京变通大学硕 论文 个多任务的操作系统。出于它的多任务性，丌发者可以将一项复杂 的工作划分成为几个相：h ：独立的任务，这样可简化应用程序的设计： 更重要的是可以缩小整个系统的响应时间，提高系统性能。特别对于 音频采集这种需要实时数据采集和处理的系统来蜕，可以减少数据的 丢失，提高可靠性。在进行程序设计时，可以将数据存储部分放在前 台，数据处理和显示部分放在后台，这样就能保证楚个系统高效率地 完成各项功能。但是，由于嵌入式设备的f l a s h 空州相对较少，而 按照多进程的设计方案设计出的程序空间占有量相对来说还是比较 大，所以采用多进程的程序设计方法，不能很好地满足系统要求。 而多线程指的是一个独立的程序看起来像是同一时问执行多个任 务的功能。这晕，“任务”指一个计算单元。线程和进程最重要的区 别是它们在执行时占用的资源量。所谓资源，指的是包含数据结构的内 存块、读写的文件等等。每个进程通常有自己独立的资源。也就是说， 一个进程包含一个程序的所有资源，即拥有自己独立的内存空问和文 件描述符等系统资源。而一个进程中的多个线程则可以共享此进程中 的内存空间和文件描述符等系统资源。线程的另一个优点是其运行环 境切换比进程间运行环境的切换要快得多( 运行环境切换是指系统从 运行一个线程或进程，切换到运行另一个进程或线程) 。同样，线程 洲的通信通常比进程间的通信更快更容易。鉴于以上原因，本系统的 软件设计将采用多线程的编程方式。 3 系统引导程序的方案设计 目前丌- 源的系统引导程序b o o t l o a d c r 有u b o o t 、a r m b o o t 、p p c b o o t 、 r e d b o o t 等。u b o o t 是迄今为止功能最为强大的歼源b o o t l o a d c r 程序， 它支持多种处理器平台，但它只是一个模板，具体到实际应用中，还 需要对其进行修改。出于它包括了4 0 0 多个文 牛夹，3 0 0 0 多个文件， 系统目标及设汁方案 并且文件间函数频繁的嵌套调用，所以要想直接对代码进行分析和修 改是一件浩瀚的工程。 为了解决这个问题，我们采用了a r m 开发工具s d t 。由于s d t 具有仿真和远程调试的功能，这样我们只需设计所需要的源文件，然 后利用a r m 工程管理器建立一个工程。编译该工程时，它就会自动 找到相应的头文件。然后从它的唯一的入口点进入，f 始运行。我们可 以单步运行程序，并对照汇编指令和c 程序源码进行分析，调试，有 化程序。 4 驱动程序的设计 驱动程序为上层软件提供设备的操作接口。驱动程序隐藏了各种 设备的具体细节，维护着设备的正常f 作，在用户与设备之间起到了 桥梁作用。设备驱动程序的设计是丌发嵌入式系统的一个重要环节。 为了能够正确地进行数据采集，需要设计其设备驱动程序，在c s 5 3 4 1 的驱动设计中，使用了a l i a 体系结构特有的快速中断技术，以加快中 断响应速度。最后，为了使所设计的驱动程序有效地运行，还要研究 对内核相关文件的修改、配置和编译问题。 北京交通人学顼l ：f i t 义 3 硬件系统设计 嵌入式系统项目开发同其它的项目开发一样要经过系统分析、软 硬件设计、调试和实现等步骤。在上一章对整个系统的目标和设计方 案进行了分析后，本章将对系统硬件的设计和实现进行详细的说明。 3 1 系统的硬件介绍 该系统的硬件部分包括：e p 7 3 1 2 处理器、模数转换芯片c s 5 3 4 1 、 l c d 、4 m bf l a s h ( 蘸片) 、1 6 m bs d r a m ( 两片) 、网络接口、标 准r s 2 3 2 接口、驻极话筒等。 1 e p 7 3 1 2 处理器 e p 7 3 1 2 是在一块芯片上实现个人数字化音频解决方案的嵌入式 处理器，它被专门设计成在对功耗敏感的应用中实现音频处理算法。 它的特点是体积小、功耗低、成本低、性能高。e p 7 3 1 2 以a r m 公司 的3 2 位r i s c 的a r m 7 t d m i 作为中央处理器单元核，包括总线控制 学元、l c d 控制器、中断控制器、定时器、串行接口电路、r a m 、 r o m 和数字音频接口等。此处理器还包括高速的晶振电路、p l l 和 低速的时钟输入电路，节省功耗操作和一些高速的实时时钟功能。 e p 7 3 1 2 处理器具有以下特点： a r m 7 t d m l 处理器核 e p 7 3 1 2 的3 2 位r i s c 的a r m 7 t d m i 内置的组件和功能如下： 具有1 6 位t h u m b 和3 2 位a r m 双指令集： 8 k b 四路组相联c a c h e ； m m u ： 1 4 硬件系统设计 三级流水线：取指、泽码、执行。 内部存储器 、，1 2 8 b o l l c h i pb o o tr o m ： 4 8 k b o i l c h i ps d r a m 。 l c d 控制器 彩色l c d 接口； 视频帧缓冲大小可编程，高达1 2 8 k b 每个点阵的位为1 、2 或4 位。 中断控制器 能够接受2 2 种不同中断源的中断请求； 有普通中断和快速中断两种类型； 中断可用来唤醒阁置的c p u 。 存储控制器 译码高达6 个独立的存储器段，每个段高达2 5 6 m b ； 每段可配鬣成8 、1 6 、或3 2 位宽，并支持页模式访问； 对常规的r o m 怨d r a m ，f l a s h 存储器的访问时州可 编程； 、户支持可插拔f l a s h 卡接口； 2 7 位通用i o 3 个8 位和个3 位g p l 0 口： 支持扫描键盘矩阵。 集成d a l 接口。 s i r 红外编解码。 d c d c 变换器接e 1 ( p w m ) 。 2 5 v 下动态可编程的时钟速度为1 8 、3 6 、4 9 和7 4 m h z 。 北京交通人学硕上论文 性能町与基于1 0 0 m h z 的i n t e l 奔腾p c 相媲美。 支持j t a g 边界扫描和嵌入式i c e 。 2 模数转换芯片 模数转换电路是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。它实 现了将采集的模拟信号转换成数字形式，以便计算机能对其读入。模 数转换器是整个转换接口的重要一环，技术指标主要有： 量化误差( 分辨率) ： 转化时间( 转化速率) ； 零点温度系数和增益温度系数； 对电源电压的变化抑制比。 模数转换器种类繁多，应用较广泛的主要有逐次逼近式、双积分 式、量化反馈式及并行式等模数转换器。 d e l t a s i g m a 转换器是一种较新类型的模数转换器，主要由调制器 及数字滤波器构成。调制器是由差动器、积分器和比较器构成，它们 一起构成一个反馈环路。调制器以大大高于模拟输入信号带宽的速率 运行，以便提供过采样。模拟输入与反馈信号( 误差信号) 进行差动 ( d e l t a ) l e 较。该比较产生的差动输出馈送到积分器( s i g m a ) q b 。积分器 的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号( 误差信号) 传送到差动器和数字滤波器中。这种反馈环路的目的是使反馈信号( 误 差信号) 趋于零。比较器输出的结果就是二进制比特流。该二进制比 特流如果1 密度较高，则意味着模拟输入电压较高；反之，0 密度较 高，则意味着模拟输入电压较低。接着将比特流馈送到数字滤波器中， 该滤波器通过抽样，将比特流从高速率、低精度位流转换成低速率、 高精度数字输出。 对于d e l t a s i g m a 架构，应注意几个关键点。首先，因为 1 6 硬件系统设汁 d e l t a s i g m a 模数转换芯片的采样速率般比相关模拟信号高很多， 因此可消除防混淆滤波器。这可以简化模拟前端结构。其次，这种转 换器所采用的精湛数字处理技术及滤波可提供极高的动态范围，具有 抗干扰能力强的特点，可排除线路高频信号的影响。 d e l t a s i g m a 模数转换芯片的优点包括极高的精度、极优越的线 性、无需微调。d e l t a s i g m a 模数转换：薛片适用于那些对精度和动态 范围要求高的场合。 我们选用的这种d e l t a s i g m a 转换器型号为c s 5 3 4 1 ，精度为2 4 位，具有两个通道，其输出为串行形式。它有如下特点： 采样频率从3 2 k h z 到1 9 2 k h z ，使其能够与d v d a u d i o 兼容； 动态范围为1 0 5 d b ，失真+ 噪音( t h d + n ) 为9 8 d b ； 单端输入结构； 3 3 至5 伏单一电源供电： 线性相位数字抗混淆滤波，高通滤波滤掉d c 失调； 有主从两种，】：作模式。 本系统使用的c s 5 3 4 1 与本课题原来所使用的a d c 0 8 0 9 相比有以 f 优点： 精度更高：a d c 0 8 0 9 精确到8 位，而c s 5 3 4 1 精确到2 4 位； 支持的采样频率范围更广； 专门为音频信号采集设计，成本更低，仅相当于a d c 0 8 0 9 的1 3 _ 一1 4 ： 信噪比高，为1 0 5 d b 。 3 显示设备l c d l c d 是基于液晶电光效应的显示器件其工作原理是利用液晶的 物理特性，当通电时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通 1 7 北京交通人学硕士论文 电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。即液晶工作时，使用的是外 部的光线，自己本身并不发光，所以与c r t 相比，液晶显示器的耗电 量较低。 l c d 中为液晶照明的方式有两种：传送式和反射式。传送式屏幕 要使用外加光源照明，称为背光( b a c k l i g h t ) ，照明光源要安装在l c d 的背后。传送式l c d 在正常光线及暗光线下，显示效果都很好，但 在户外。尤其在e 1 光下，很难辩清显示内容。背光需要电源产生照明 光线，要消耗屯功率。反射式屏幕则不需要外加照明屯源，使用周嗣 环境的光线( 或在某些笔记本中，使用前部照明系统的光线) 。这样， 反射式屏幕就没有背光，所以，此种屏幕在户外或光线充足的室内， 爿会有出色的效果，但在般室内光线下，这种显示屏的显示效果就 不及背光传送式的。 住本系统中使用的l c d 型号为l c b a 7 t 2 1 1 m ，它是一种传送式 背光( c c f u 、彩色s t n 液晶屏。 3 2 系统中硬件电路的详细设计 整个系统可以分为以下几个模块：核心模块、s r a m 和f l a s h 存储模块、模数转换模块、l c d 模块、串口模块、j t a g 模块、电源 模块。 系统的功能模块图3 - 1 所示。 1 8 硬件系统设计 厂茧口 图3 1 系统功能模块图 以上是对系统进行的整体分析，现在详细地介绍系统的每个模块 的设计。 1 核心模块 为了更清楚地说明核心模块和其他模块的连接关系，现在将 e p 7 3 1 2 处理器的内部结构介绍如下。 从图3 2 所示的处理器结构图可知，e p 7 3 1 2 包括时钟产牛器、中 断控制器、1 6 位的可编程定时器、串行接口、l c d 控制器和数字音 频接口等。e p 7 3 1 2 有一个内置的时钟产生器，它出一个高速的晶振电 路和p l l 构成。高速的晶振电路产生系统所需的时钟，并提供给c p u 和内部的外围电路( 如串行接口、定时器、数字音频接1 2 1 等) 。本处 理器的时钟也可由外部的时钟电路提供。 北京交通人学硕上论文 图3 - 2e p 7 3 1 2 内部结构 2 r a m 和h a s 珏模块 这个模块的设计采用了两种类型的存储器，即r a m 和f l a s h 。 系统采用了f l a s h 存储器是因为存储在它里面的内容不容易丢失。 这样f l a s h 可以固化系统引导程序、内核或者用户自己编写的程序。 当系统启动时，直接可执行f l a s h 的程序。 本系统的f l a s h 芯片的型号为f u j i t s u2 9 l v l 6 0 t e ；r a m 采