英创信息技术Linux工控主板音频应用简介

随着技术的发展，在工控领域中，也有许多地方出现了音频的身影，为了满足客户的需求，英创公司也推出了音频的方案。考虑到成本的问题，我们选用了市面上很便宜的USB音频模块，Linux内核中已经集成了使用ALSA架构的音频模块的驱动，市面上支持ALSA音频驱动的USB音频模块都能够直接使用，接上后就能够识别出音频设备。本篇文章中使用罗技型号为5572A的音频模块来作为示例，来介绍对USB音频模块的支持。

1、Linux内核配置

内核配置如下：
Device Drivers --->
<*> Sound card support --->
<*> Advanced Linux Sound Architecture --->
[*] USB sound devices --->
<*> USB Audio/MIDI driver

由于系统中已经集成了驱动，所以插上USB音频模块后，系统就能识别出声卡设备，在目录/dev/snd下可以查看接口，使用命令cat /proc/asound/device可以查看声卡设备。要控制声卡设备，需要使用内核提供的接口，接口都是由ALSA驱动提供的。

查看声卡设备

2、ALSA库的移植

ALSA标准是一个先进的linux声音体系，表示高级Linux声音体系结构(Advanced Linux Sound Architecture)。它包含内核驱动集合，API库和工具对Linux声音进行支持。ALSA 包含一系列内核驱动对不同的声卡进行支持，还提供了libasound的API库。

因为使用了ALSA库，我们在编译程序的时候要用到相关的头文件和动态链接库，所以在程序开发前，需要移植alsa-lib。

alsa-lib的移植过程：

1、下载源码：http://www.alsa-project.org/main/index.php/Download

2、转入工作目录：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、编译 make
5、安装 make install

编译成功后将生成的libasound.so库文件，将libasound.so这个库文件放到根文件系统/lib目录下。必须还要把安装生成的 alsa.conf（在--with-configdir所指向目录下）拷贝到英创主板文件系统中--with-configdir所指向目录下，否则程序执行会报错，建议将--with-configdir指定到/etc目录下。到此英创linux主板环境下alsa-lib库的移植就完成了。

3、音频应用程序简介

ALSA由许多声卡的声卡驱动程序组成。应用程序开发需要使用libasound的API库。libasound提供最高级并且编程方便的编程接口。并且提供一个设备逻辑命名功能，这样开发者甚至不需要知道类似设备文件这样的低层接口。

ALSA API 被主要分为以下几种接口：
控制接口：提供管理声卡注册和请求可用设备的通用功能
PCM接口：管理数字音频回放(playback)和录音(capture)的接口。它是开发数字音频程序最常用到的接口。
定时器(Timer)接口：为同步音频事件提供对声卡上时间处理硬件的访问。

使用ALSA接口控制声卡播放的典型流程为：

下面来看具体的程序，按照流程图，首先应该是打开接口。API库使用逻辑设备名而不是设备文件。设备名字可以是真实的硬件名字也可以是插件名字。硬件名字使用hw:i,j这样的格式。其中i是卡号，j是这块声卡上的设备号。第一个声音设备是hw:0,0这个别名默认引用第一块声音设备。插件使用另外的唯一名字。比如 plughw:0,0表示一个插件，这个插件不提供对硬件设备的访问，而是提供像采样率转换这样的软件特性，硬件本身并不支持这样的特性。

使用“plughw”接口，程序员不必过多关心硬件，而且如果设置的配置参数和实际硬件支持的参数不一致，ALSA 会自动转换数据。如果使用“hw”接口，我们就必须检测硬件是否支持设置的参数了。所以打开设备使用如下代码：

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);
}

接下来是设置硬件参数，常用的参数介绍如下：
样本长度(sample)：样本是记录音频数据最基本的单位，常见的有8位和16位。
通道数(channel)：该参数为1表示单声道，2则是立体声。
帧(frame)：桢记录了一个声音单元，其长度为样本长度与通道数的乘积。
采样率(rate)：每秒钟采样次数，该次数是针对帧而言。

为了设置音频流的硬件参数，我们需要分配一个类型为snd_pcm_hw_param的变量。分配用到函数宏 snd_pcm_hw_params_alloca。
snd_pcm_hw_params_alloca(¶ms);

下一步，我们使用函数snd_pcm_hw_params_any来初始化这个变量，传递先前打开的 PCM流句柄。
snd_pcm_hw_params_any(handle, params);

然后就可以调用API来设置我们所需的硬件参数。这些函数需要三个参数：PCM流句柄，参数类型，参数值。我们将需要播放的wav格式文件中的这些参数读取出来设置到硬件中。对于采样率而言，声音硬件并不一定就精确地支持我们所定的采样率，但是我们可以使用函数 snd_pcm_hw_params_set_rate_near来设置最接近我们指定的采样率的采样率。其实只有当我们调用函数 snd_pcm_hw_params后，硬件参数才会起作用。

具体的代码如下：

snd_pcm_hw_params_alloca(¶ms);//分配params结构体
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);/*初始化访问权限，采用交错模式。交错访问：在缓冲区的每个 PCM 帧都包含所有设置的声道的连续的采样数据。比如声卡要播放采样长度是 16-bit 的 PCM 立体声数据，表示每个 PCM 帧中有 16-bit 的左声道数据，然后是 16-bit 右声道数据。
非交错访问：每个 PCM 帧只是一个声道需要的数据，如果使用多个声道，那么第一帧是第一个声道的数据，第二帧是第二个声道的数据，依此类推。*/

if(rc<0)
{
perror('\nsed_pcm_hw_set_access:');
exit(1);
}
//采样位数
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);//设置声道,1表示单声道，2表示立体声
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);//设置频率
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);
}

最后进行数据处理，播放选定的文件。每个声卡都有一个硬件缓存区来保存记录下来的样本。当缓存区足够满时，声卡将产生一个中断。内核声卡驱动然后使用直接内存(DMA)访问通道将样本传送到内存中的应用程序缓存区。类似地，对于回放，任何应用程序使用DMA将自己的缓存区数据传送到声卡的硬件缓存区中。

这样硬件缓存区是环缓存。也就是说当数据到达缓存区末尾时将重新回到缓存区的起始位置。ALSA维护一个指针来指向硬件缓存以及应用程序缓存区中数据操作的当前位置。从内核外部看，我们只对应用程序的缓存区感兴趣，应用程序缓存区的大小可以通过ALSA库函数调用来控制。缓存区可以很大，一次传输操作可能会导致不可接受的延迟，我们把它称为延时(latency)。为了解决这个问题，ALSA将缓存区拆分成一系列周期(period)。

ALSA以period为单元来传送数据。peroid_size 是PCM DMA单次传送数据帧的大小。通过snd_pcm_hw_params_get_period_size()取得peroid_size，注意在ALSA中peroid_size是以frame为单位的，而 frame = channels * sample_size. 所以缓冲区大小的计算公式为：chunk_byte = period_size * bit_per_sample * hw_params.channels / 8（字节数(bytes) = 每周期的帧数* 样本长度(bit) * 通道数 / 8 ）

rc=snd_pcm_hw_params_get_period_size(params, &frames, &dir);/*获取周期长度*/
if(rc<0)
{
perror('\nsnd_pcm_hw_params_get_period_size:');
exit(1);
}
size = frames * datablock;/*字节数(bytes) = 每周期的帧数* 样本长度(bit) * 通道数 / 8 ，假设采样率为16即size=frames*16*2/8*/

buffer =(char*)malloc(size);
fseek(fp,58,SEEK_SET);//定位歌曲到数据区

while (1)
{
memset(buffer,0,sizeof(buffer));
ret = fread(buffer, 1, size, fp);
if(ret == 0)
{
printf('歌曲写入结束\n');
break;
}
else if (ret != size)
{
}
//写音频数据到PCM设备，播放
while((ret = snd_pcm_writei(handle, buffer, frames))<0)
{
usleep(2000);
if (ret == -EPIPE)
{
/*EPIPE means underrun*/
fprintf(stderr, 'underrun occurred\n');
//完成硬件参数设置，使设备准备好
snd_pcm_prepare(handle);
}
else if (ret < 0)
{
fprintf(stderr, 'error from writei: %s\n',snd_strerror(ret));
}
}
}

这样，我们便完成了一个具有播放wav文件功能的音频程序，详细的程序可以参考光盘中的例程。

在进行应用程序开发时，还需要将alsa-lib相关的头文件添加到编译工具的相关include目录下，对应英创公司提供eclipse编译环境，即如下图所示，需要将 alsa-lib安装目录中 include目录下的alsa文件夹复制到 PC机的C:\Program Files (x86)\CodeSourcery\Sourcery G++ Lite\arm-none-linux-gnueabi\libc\usr\include目录下。

alsa的应用需要用到专用的动态库libasound.so两个文件，所以需要将这两个文件复制到应用程序工程文件project目录下，同时在eclipse环境对此程序编译时，需要设置相应的编译属性。在Project Explorer视窗下，选择需要设置的工程文件，然后点击鼠标右键，选择 Properties项，在窗口中选择C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> Sourcery G++ C++ Linker -> Libraries，如下图所示。其中的一个窗口用于指定库文件的名称，一个用于指定库文件的路径。

这样就能够在eclipse的环境下进行应用程序的开发了。