嵌入式系统中AUDIO设备介绍

AUDIO 设备

Audio 简介

Audio （音频）设备是嵌入式系统中非常重要的一个组成部分，负责音频数据的采样和输出。Audio  设备通常由数据总线接口、控制总线接口、音频编解码器（Codec）、扬声器和麦克风等组成，如下图所示：

Audio 设备特性

RT-Thread Audio 设备驱动框架是 Audio 框架的底层部分，主要负责原生音频数据的采集和输出、音频流的控制、音频设备的管理、音量调节以及不同硬件和 Codec 的抽象等。

• 接口：标准 device 接口(open/close/read/control)。
• 同步模式访问。
• 支持播放和录音。
• 支持音频参数管理。
• 支持音量调节。
  

访问 Audio 设备

查找 Audio 设备

应用程序根据 Audio 设备名称获取设备句柄，进而可以操作 Audio 设备，查找设备函数如下所示：
rt_device_t rt_device_find(const char* name);[tr]参数描述[/tr]

name	Audio 设备名称
返回	——
设备句柄	查找到对应设备将返回相应的设备句柄
RT_NULL	没有找到相应的设备对象

使用示例如下所示：
#define SOUND_DEVICE_NAME    "sound0"    /* Audio 设备名称 */static rt_device_t snd_dev;              /* Audio 设备句柄 *//* 根据设备名称查找 Audio 设备，获取设备句柄 */snd_dev = rt_device_find(SOUND_DEVICE_NAME);打开 Audio 设备

通过设备句柄，应用程序可以打开和关闭设备，通过如下函数打开设备:
rt_err_t rt_device_open(rt_device_t dev, rt_uint16_t oflags);[tr]参数描述[/tr]

dev	设备句柄
oflags	设备模式标志
返回	——
RT_EOK	设备打开成功
-RT_EBUSY	如果设备注册时指定的参数中包括 RT_DEVICE_FLAG_STANDALONE 参数，此设备将不允许重复打开
-RT_EINVAL	不支持的打开参数
其他错误码	设备打开失败

oflags 参数支持下列参数：
#define RT_DEVICE_OFLAG_WRONLY      0x002     /* 标准设备的只写模式，对应 Audio 播放设备 */#define RT_DEVICE_FLAG_RDONLY       0x001     /* 标准设备的只读模式，对应 Audio 录音设备 */Audio 设备分为播放和录音 2 种类型，播放设备输出音频数据到 Codec 编***数据。在使用的时候，播放设备通过只写标志进行标识，录音设备通过只读标志进行标识。
打开 Audio 播放设备使用示例如下所示：
rt_device_open(snd_dev, RT_DEVICE_OFLAG_WRONLY)打开 Audio 录音设备使用示例如下所示：
rt_device_open(mic_dev, RT_DEVICE_FLAG_RDONLY)控制 Audio 设备

通过命令控制字，应用程序可以对 Audio 设备进行配置，通过如下函数完成：
rt_err_t rt_device_control(rt_device_t dev, rt_uint8_t cmd, void* arg);[tr]参数描述[/tr]

dev	设备句柄
cmd	命令控制字，详细介绍见下面
arg	控制的参数, 详细介绍见下面
返回	——
RT_EOK	函数执行成功
-RT_ENOSYS	执行失败，dev 为空
其他错误码	执行失败

其中的 cmd 目前支持以下几种命令控制字
/* AUDIO command */#define _AUDIO_CTL(a) (0x10 + a)#define AUDIO_CTL_GETCAPS                   _AUDIO_CTL(1) /* 获取设备功能属性 */#define AUDIO_CTL_CONFIGURE                 _AUDIO_CTL(2) /* 配置设备功能属性 */

• 设备功能属性结构体的定义如下
  

struct rt_audio_caps{    int main_type;                            /* 命令主类型 */    int sub_type;                             /* 命令子类型 */    union    {        rt_uint32_t mask;        int     value;                       /* 参数值 */        struct rt_audio_configure config;    /* 音频参数信息 */    } udata;};设置播放的音频参数信息

设置播放的采样率、采样通道、以及采样位数。
struct rt_audio_caps caps;caps.main_type               = AUDIO_TYPE_OUTPUT; /* 输出类型（播放设备 ）*/caps.sub_type                = AUDIO_DSP_PARAM;   /* 设置所有音频参数信息 */caps.udata.config.samplerate = 44100;             /* 采样率 */caps.udata.config.channels   = 2;                 /* 采样通道 */caps.udata.config.samplebits = 16;                /* 采样位数 */rt_device_control(device, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);设置播放的主音量

设置播放的主音量。
struct rt_audio_caps caps;caps.main_type   = AUDIO_TYPE_MIXER;       /* 音量管理类型 */caps.sub_type    = AUDIO_MIXER_VOLUME;     /* 设置播放的主音量 */caps.udata.value = volume;                 /* 范围 0 ~ 100 */rt_device_control(snd_dev, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);设置录音的音频参数信息

设置录音的采样率、采样通道、以及采样位数。
struct rt_audio_caps caps;caps.main_type               = AUDIO_TYPE_INPUT;  /* 输入类型（录音设备 ）*/caps.sub_type                = AUDIO_DSP_PARAM;   /* 设置所有音频参数信息 */caps.udata.config.samplerate = 44100;             /* 采样率 */caps.udata.config.channels   = 2;                 /* 采样通道 */caps.udata.config.samplebits = 16;                /* 采样位数 */rt_device_control(device, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);设置录音的主音量

设置录音的主音量。
struct rt_audio_caps caps;caps.main_type = AUDIO_TYPE_MIXER;       /* 音量管理类型 */caps.sub_type  = AUDIO_MIXER_MIC;        /* 设置录音的主音量 */caps.udata.value = volume;               /* 范围 0 ~ 100 */rt_device_control(player->device, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);写入音频数据

向音频播放设备中写入数据，可以通过如下函数完成：
rt_size_t rt_device_write(rt_device_t dev, rt_off_t pos, const void* buffer, rt_size_t size);[tr]参数描述[/tr]

dev	设备句柄
pos	写入数据偏移量，此参数音频设备未使用
buffer	内存缓冲区指针，放置要写入的数据
size	写入数据的大小
返回	——
写入数据的实际大小	以字节为单位；

调用这个函数，会把缓冲区 buffer 中的数据写入到设备 dev 中，写入数据的大小是 size。该函数为同步接口，驱动框架内部会将数据先保存到音频设备的缓冲区，当缓冲区满时，函数被阻塞。
读取音频数据

可调用如下函数读取音频录音设备接收到的数据：
rt_size_t rt_device_read(rt_device_t dev, rt_off_t pos, void* buffer, rt_size_t size);[tr]参数描述[/tr]

dev	设备句柄
pos	读取数据偏移量，此参数串口设备未使用
buffer	缓冲区指针，读取的数据将会被保存在缓冲区中
size	读取数据的大小
返回	——
读到数据的实际大小	如果是字符设备，返回大小以字节为单位
0	需要读取当前线程的 errno 来判断错误状态

调用这个函数，从音频录音设备读取 size 大小的数据到 buffer 中。该函数为同步接口，当驱动框架内部 Pipe缓存的数据小于 size 时，函数被阻塞。
关闭音频设备

当应用程序完成串口操作后，可以关闭音频设备，通过如下函数完成:
rt_err_t rt_device_close(rt_device_t dev);[tr]参数描述[/tr]

dev	设备句柄
返回	——
RT_EOK	关闭设备成功
-RT_ERROR	设备已经完全关闭，不能重复关闭设备
其他错误码	关闭设备失败

关闭设备接口和打开设备接口需配对使用，打开一次设备对应要关闭一次设备，这样设备才会被完全关闭，否则设备仍处于未关闭状态。
音频设备使用示例

音频设备用于播放和录音，通常伴随着音频文件的编解码使用。下面介绍播放和录制 wav 文件的示例，完整的代码可以通过 RT-Thread wavplayer 软件包 获取。
播放

播放一段音频数据的主要步骤如下：

• 首先查找 Audio 设备获取设备句柄。
• 以只写方式打开 Audio 设备。
• 设置音频参数信息（采样率、通道等）。
• 解码音频文件的数据。
• 写入音频文件数据。
• 播放完成，关闭设备。
  

#include #include #include #define BUFSZ   1024#define SOUND_DEVICE_NAME    "sound0"    /* Audio 设备名称 */static rt_device_t snd_dev;              /* Audio 设备句柄 */struct RIFF_HEADER_DEF{    char riff_id[4];     // 'R','I','F','F'    uint32_t riff_size;    char riff_format[4]; // 'W','A','V','E'};struct WAVE_FORMAT_DEF{    uint16_t FormatTag;    uint16_t Channels;    uint32_t SamplesPerSec;    uint32_t AvgBytesPerSec;    uint16_t BlockAlign;    uint16_t BitsPerSample;};struct FMT_BLOCK_DEF{    char fmt_id[4];    // 'f','m','t',' '    uint32_t fmt_size;    struct WAVE_FORMAT_DEF wav_format;};struct DATA_BLOCK_DEF{    char data_id[4];     // 'R','I','F','F'    uint32_t data_size;};struct wav_info{    struct RIFF_HEADER_DEF header;    struct FMT_BLOCK_DEF   fmt_block;    struct DATA_BLOCK_DEF  data_block;};int wavplay_sample(int argc, char **argv){    int fd = -1;    uint8_t *buffer = NULL;    struct wav_info *info = NULL;    struct rt_audio_caps caps = {0};    if (argc != 2)    {        rt_kprintf("Usage:/n");        rt_kprintf("wavplay_sample song.wav/n");        return 0;    }    fd = open(argv[1], O_WRONLY);    if (fd < 0)    {        rt_kprintf("open file failed!/n");        goto __exit;    }    buffer = rt_malloc(BUFSZ);    if (buffer == RT_NULL)        goto __exit;    info = (struct wav_info *) rt_malloc(sizeof * info);    if (info == RT_NULL)        goto __exit;    if (read(fd, &(info->header), sizeof(struct RIFF_HEADER_DEF)) <= 0)        goto __exit;    if (read(fd, &(info->fmt_block),  sizeof(struct FMT_BLOCK_DEF)) <= 0)        goto __exit;    if (read(fd, &(info->data_block), sizeof(struct DATA_BLOCK_DEF)) <= 0)        goto __exit;    rt_kprintf("wav information:/n");    rt_kprintf("samplerate %d/n", info->fmt_block.wav_format.SamplesPerSec);    rt_kprintf("channel %d/n", info->fmt_block.wav_format.Channels);    /* 根据设备名称查找 Audio 设备，获取设备句柄 */    snd_dev = rt_device_find(SOUND_DEVICE_NAME);    /* 以只写方式打开 Audio 播放设备 */    rt_device_open(snd_dev, RT_DEVICE_OFLAG_WRONLY);    /* 设置采样率、通道、采样位数等音频参数信息 */    caps.main_type               = AUDIO_TYPE_OUTPUT;                           /* 输出类型（播放设备 ）*/    caps.sub_type                = AUDIO_DSP_PARAM;                             /* 设置所有音频参数信息 */    caps.udata.config.samplerate = info->fmt_block.wav_format.SamplesPerSec;    /* 采样率 */    caps.udata.config.channels   = info->fmt_block.wav_format.Channels;         /* 采样通道 */    caps.udata.config.samplebits = 16;                                          /* 采样位数 */    rt_device_control(snd_dev, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);    while (1)    {        int length;        /* 从文件系统读取 wav 文件的音频数据 */        length = read(fd, buffer, BUFSZ);        if (length <= 0)            break;        /* 向 Audio 设备写入音频数据 */        rt_device_write(snd_dev, 0, buffer, length);    }    /* 关闭 Audio 设备 */    rt_device_close(snd_dev);__exit:    if (fd >= 0)        close(fd);    if (buffer)        rt_free(buffer);    if (info)        rt_free(info);    return 0;}MSH_CMD_EXPORT(wavplay_sample,  play wav file);录音

录制一段音频数据的主要步骤如下：

• 首先查找 Audio 设备获取设备句柄。
• 以只读方式打开 Audio 设备。
• 设置音频参数信息（采样率、通道等）。
• 从音频设备读取数据。
• 处理读取的数据等。
• 录音完成，关闭设备。
  

#include #include #include #define RECORD_TIME_MS      5000#define RECORD_SAMPLERATE   16000#define RECORD_CHANNEL      2#define RECORD_CHUNK_SZ     ((RECORD_SAMPLERATE * RECORD_CHANNEL * 2) * 20 / 1000)#define SOUND_DEVICE_NAME    "mic0"      /* Audio 设备名称 */static rt_device_t mic_dev;              /* Audio 设备句柄 */struct wav_header{    char  riff_id[4];              /* "RIFF" */    int   riff_datasize;           /* RIFF chunk data size,exclude riff_id[4] and riff_datasize,total - 8 */    char  riff_type[4];            /* "WAVE" */    char  fmt_id[4];               /* "fmt " */    int   fmt_datasize;            /* fmt chunk data size,16 for pcm */    short fmt_compression_code;    /* 1 for PCM */    short fmt_channels;            /* 1(mono) or 2(stereo) */    int   fmt_sample_rate;         /* samples per second */    int   fmt_avg_bytes_per_sec;   /* sample_rate * channels * bit_per_sample / 8 */    short fmt_block_align;         /* number bytes per sample, bit_per_sample * channels / 8 */    short fmt_bit_per_sample;      /* bits of each sample(8,16,32). */    char  data_id[4];              /* "data" */    int   data_datasize;           /* data chunk size,pcm_size - 44 */};static void wavheader_init(struct wav_header *header, int sample_rate, int channels, int datasize){    memcpy(header->riff_id, "RIFF", 4);    header->riff_datasize = datasize + 44 - 8;    memcpy(header->riff_type, "WAVE", 4);    memcpy(header->fmt_id, "fmt ", 4);    header->fmt_datasize = 16;    header->fmt_compression_code = 1;    header->fmt_channels = channels;    header->fmt_sample_rate = sample_rate;    header->fmt_bit_per_sample = 16;    header->fmt_avg_bytes_per_sec = header->fmt_sample_rate * header->fmt_channels * header->fmt_bit_per_sample / 8;    header->fmt_block_align = header->fmt_bit_per_sample * header->fmt_channels / 8;    memcpy(header->data_id, "data", 4);    header->data_datasize = datasize;}int wavrecord_sample(int argc, char **argv){    int fd = -1;    uint8_t *buffer = NULL;    struct wav_header header;    struct rt_audio_caps caps = {0};    int length, total_length = 0;    if (argc != 2)    {        rt_kprintf("Usage:/n");        rt_kprintf("wavrecord_sample file.wav/n");        return -1;    }    fd = open(argv[1], O_WRONLY | O_CREAT);    if (fd < 0)    {        rt_kprintf("open file for recording failed!/n");        return -1;    }    write(fd, &header, sizeof(struct wav_header));    buffer = rt_malloc(RECORD_CHUNK_SZ);    if (buffer == RT_NULL)        goto __exit;    /* 根据设备名称查找 Audio 设备，获取设备句柄 */    mic_dev = rt_device_find(SOUND_DEVICE_NAME);    if (mic_dev == RT_NULL)        goto __exit;    /* 以只读方式打开 Audio 录音设备 */    rt_device_open(mic_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDONLY);    /* 设置采样率、通道、采样位数等音频参数信息 */    caps.main_type               = AUDIO_TYPE_INPUT;                            /* 输入类型（录音设备 ）*/    caps.sub_type                = AUDIO_DSP_PARAM;                             /* 设置所有音频参数信息 */    caps.udata.config.samplerate = RECORD_SAMPLERATE;                           /* 采样率 */    caps.udata.config.channels   = RECORD_CHANNEL;                              /* 采样通道 */    caps.udata.config.samplebits = 16;                                          /* 采样位数 */    rt_device_control(mic_dev, AUDIO_CTL_CONFIGURE, &caps);    while (1)    {        /* 从 Audio 设备中，读取 20ms 的音频数据  */        length = rt_device_read(mic_dev, 0, buffer, RECORD_CHUNK_SZ);        if (length)        {            /* 写入音频数据到到文件系统 */            write(fd, buffer, length);            total_length += length;        }        if ((total_length / RECORD_CHUNK_SZ) >  (RECORD_TIME_MS / 20))            break;    }    /* 重新写入 wav 文件的头 */    wavheader_init(&header, RECORD_SAMPLERATE, RECORD_CHANNEL, total_length);    lseek(fd, 0, SEEK_SET);    write(fd, &header, sizeof(struct wav_header));    close(fd);    /* 关闭 Audio 设备 */    rt_device_close(mic_dev);__exit:    if (fd >= 0)        close(fd);    if (buffer)        rt_free(buffer);    return 0;}MSH_CMD_EXPORT(wavrecord_sample, record voice to a wav file);                                            Question && Feedback

                          
          (rtThread)