嵌入式Linux环境下多路音频流混音设备的研究与设计

摘要

进入21世纪以来，嵌入式技术飞速发展，基于嵌入式系统的电子产品已广泛应用于人们的日常生活中，其中音频设备更是成为人们生活中不可缺少的组成部分。音频设备性能地提高离不开音频技术地发展，目前，数字音频技术的发展速度相当惊人，而在数字音频技术中最常用、最重要的就是多路音频混音技术。混音技术经常被用在通信、多媒体教室、表演等场合，这些场合对音频混音的实时性要求都很高，因此如何将多路音频信号实时混合始终是数字音频技术研究的难点和热点。
　　本文以嵌入式音频系统实时混音为研究背景，设计出基于嵌入式Linux系统的多路音频流混音设备——武场琴。这款新型的混音设备主要用于合成各种打击乐器的声音并作为戏曲表演的背景音效，基本的思路就是将各种乐器的声音提前做成WAV文件，键盘上的一个按键代表一个音乐文件即一种乐器的声音，通过控制按键来控制不同乐器声音的播放，若同时按下多个按键则利用软件将多路音频流合成并实时播放，这样就可以在同一时间听到多种乐器的声音就相当于多个人在演奏。因此本课题的研究就是实现通过一个人控制武场琴完成一个乐队的任务，从而用较少的人数完成了以往需要很多人共同工作才能完成的任务，极大地节省了人力。
　　本论文研究的核心是基于嵌入式Linux环境下，实现多路音频流的实时混音。本文从软硬件两方面入手，清晰勾勒出嵌入式混音设备的开发流程及设计原理。采用S3C6410处理器、WM9713音频编解码芯片、ZLG7290B键盘控制芯片为硬件平台。文章着重研究了音频混音算法以及声卡和键盘的接口及驱动程序架构。主要工作如下:
　　(1)硬件设计。设计出音频键盘输入电路和声卡输出电路，研究键盘控制芯片与处理器的接口IIC的工作过程以及音频编解码芯片与处理器接口AC97的工作过程。
　　(2)开发环境搭建及驱动设计。搭建系统的开发环境、混音设备系统的移植、混音设备驱动程序设计，同时编写makefile，动态加载驱动模块到内核。
　　(3)软件设计。设计相关软件来实现多路音频混音等功能。在软件设计中，采用箝位混音算法将多路音频流混合并进行箝位处理。
　　通过查阅大量资料，搭建好了混音设备的硬件结构，在软件上实现了多路音频流的混音算法，设计出了混音设备。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 研究意义

1．4 本文的研究内容

2 系统分析与设计

2．1 系统需求分析

2．2 系统的总体设计

2．2．1 系统的硬件方案设计

2．2．2 系统的软件方案设计

3 硬件系统设计

3．1 混音设备处理器简介

3．2 音频编解码芯片及接口设计

3．2．1 音频编解码芯片选型

3．2．2 音频设备接口选择

3．2．3 AC97工作原理及时序图

3．2．4 音频设备电路设计

3．3 键盘控制芯片及接口设计

3．3．1 ZLG7290B键盘应用设计

3．3．2 IIC接口工作原理及时序图

3．3．3 键盘控制电路设计

3．4 硬件测试

4 嵌入式Linux系统移植及驱动设计

4．1 搭建软件开发环境

4．1．1 搭建宿主机环境

4．1．2 交叉编译环境建立

4．1．3 移植ALSA声音架构

4．1．4 烧写Linux内核和文件系统

4．2 混音设备的音频驱动设计

4．2．1 音频驱动原理

4．2．2 音频驱动架构

4．3 混音设备的键盘驱动设计

4．3．1 键盘驱动原理

4．3．2 键盘驱动架构

4．4 驱动程序加载

5 混音设计与实现

5．1 音频混音的设计

5．1．1 混音的理论依据

5．1．2 混音算法的研究

5．1．3 混音的具体实现

5．2 混音缓冲区管理

5．3 混音的特殊情况处理

6 总结和展望

6．1 论文的主要工作

6．2 未来的展望

参考文献

作者简介

致谢