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圖1  基于IIS總線的嵌入式頻譜分析系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖2  UDA1341 中的IIS總線格式

    Ep7312的DAI接口中的主時(shí)鐘（SUB）、位時(shí)鐘（SSICLK）、左右通道時(shí)鐘（SSITXFR）、音頻數(shù)據(jù)（SSIRXDA）分別接UDA1341 中的SCLK、BCK、WS、DO。為了保證EP7312的SSIRXDA能正確接收到UDA1341 發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要使兩者之間的左右通道時(shí)鐘一致，即把SSITXFR同時(shí)作為SSITXFR和UDA1341中的WS輸入。

2  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括三部分：?jiǎn)?dòng)代碼boot loader、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，其中重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

2.1  啟動(dòng)代碼boot loader

    boot loader是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的一段代碼。雖然對(duì)于具體的嵌入式系統(tǒng)而言，不同的系統(tǒng)完成的功能不同，但是boot loader的功能基本相同，完成如下操作：對(duì)硬件設(shè)備初始化，把代碼從Flash加載到Sdram，跳轉(zhuǎn)到Sdram中的代碼執(zhí)行。圖3是bootloader的流程圖。

圖3  bootloader流程圖

2.2  Lcd和UDA1341驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

    在嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序隱藏了各種設(shè)備的具體細(xì)節(jié)，維護(hù)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(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的重要工作之一。在該系統(tǒng)中，有兩個(gè)重要設(shè)備的驅(qū)動(dòng)：UDA1341驅(qū)動(dòng)和LCD驅(qū)動(dòng)。

(1)  LCD驅(qū)動(dòng)

    本設(shè)計(jì)采用的LCD為320(W)×240(H)像素的彩色STN液晶屏。

    在LCD上顯示的曲線是通過(guò)對(duì)采集的離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)用直線連接，以提高顯示效果。因此驅(qū)動(dòng)中的一個(gè)重要函數(shù)是連線函數(shù)lcd_vline()；
int lcd_vline(unsigned char *fbuf, int x, int y, int y1, int color, int xorm)
{
  //fbuf為緩沖區(qū)的初始地址，p是點(diǎn)（x,y）在LCD上對(duì)應(yīng)的地址
p = fbuf + x * 12 / 8 + y * (320 * 3 * 4 / 8);
  //經(jīng)過(guò)變換使y<=y1
for (; y <= y1; y++){
//根據(jù)x的奇偶性設(shè)置點(diǎn)的顏色來(lái)決定是否要顯示該點(diǎn)
 ….……………………………..
 p += (320 * 3 * 4 / 8);
}
  return 0;
}

(2)  UDA1341驅(qū)動(dòng)

    由于UDA1341實(shí)現(xiàn)的是高速數(shù)據(jù)流的采集，其數(shù)據(jù)采集速度非常快，為了與其相匹配，采用了快速中斷fiq。在申請(qǐng)快速中斷的時(shí)候需要用到它的首地址和未地址，為了得到這兩個(gè)地址，中斷處理函數(shù)必須用匯編來(lái)編寫。因此，該驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)文件構(gòu)成：主文件UDA1341.c和中斷文件fiq.s。在此著重說(shuō)明主文件中的設(shè)備初始化函數(shù)UDA1341 init()和中斷函數(shù)。

    Ep7312按一定的時(shí)序向L3接口寫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)UDA1341的初始化。L3接口包括L3MODE、L3CLOCK、L3DATA三個(gè)腳，分別連接ep7312的port d 端口的第3、4、5位，Ep7312通過(guò)向port d端口這三位輸出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)UDA1341的初始化。UDA1341的L3控制模式按照傳送信息的不同分為地址傳送模式和數(shù)據(jù)傳送模式，圖4是地址傳送模式時(shí)序圖，圖5 是數(shù)據(jù)傳送模式的時(shí)序圖。

圖4  地址傳送模式時(shí)序圖

圖5  數(shù)據(jù)傳送模式的時(shí)序圖

    UDA1341的驅(qū)動(dòng)中還要包括ep7312中DAI接口的初始化。由于在ep7312中DAI、SSI2、CODEC共用一組硬件資源，需要在程序中通過(guò)設(shè)置來(lái)選擇DAI接口。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序還需要設(shè)置IIS總線中采樣時(shí)鐘頻率、左右通道時(shí)鐘頻率、主時(shí)鐘頻率。

int UDA1341 init (void)
{
INTMR3 = 0x0; //禁止中斷
SYSCON3|=0x0e;      // 選擇DAI接口
SYSCON3&=0xffffdff;  //設(shè)置BCLK為WS的64倍
DAI64FSCR=0x240b;//采樣頻率的選取，這里設(shè)置是8kHz
PORTDDIR=PORTDDIR&0xc7;  //設(shè)置D端口為輸出
PORTDDAT=PORTDDAT|0x10;  //初始化D端口的3、4、5位 (pd3=0;pd4=1;pd5=0)
sendadd(0x16);//地址傳送，地址為0x16
senddat(0x40);//數(shù)據(jù)傳送，reset所有設(shè)置
sendadd(0x16);
senddat(0x21);// 設(shè)置SCLK為256Fs，數(shù)據(jù)格式為IIS。
..……………………………
 //注冊(cè)設(shè)備
rc = register_chrdev(UDA1341 _major, "UDA1341 ", &UDA1341 _fops);
  //申請(qǐng)fiq
fiqhandler_start = &dai_fiq_handler_start;
fiqhandler_length = &dai_fiq_handler_end - &dai_fiq_handler_start;
if (claim_fiq(&UDA1341 _fh))
{
   printk("UDA1341 _fh: couldn't claim FIQ.\n");
     return;
}
set_fiq_hander(fiqhander_start,fiqhander_length);
set_fiq_regs(regs);
  …………………………….
}

中斷處理程序：保存被中斷寄存器環(huán)境，清中斷位，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)放入公共數(shù)組中，恢復(fù)被中斷寄存器環(huán)境，然后返回被中斷程序。
.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: //程序未地址

2.3  應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的處理（FFT）、波形的顯示和刷新。

(1)  數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)

    在該模塊中，由于UDA1341對(duì)輸入信號(hào)的交流分量進(jìn)行采樣，在采集到的16位數(shù)據(jù)中，最高位是符號(hào)位，當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，該位為0，當(dāng)輸入信號(hào)電壓為負(fù)時(shí)，該位為1。Ep7312 接收UDA1341采集的數(shù)據(jù)放到FIFO中，當(dāng)12個(gè)字節(jié)的FIFO半滿時(shí)，即FIFO中有6個(gè)或者多于6個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷，調(diào)用快速中斷處理程序讀取數(shù)據(jù)放入共用數(shù)組中。

    對(duì)于ep7312可產(chǎn)生8k~48kHz的采樣頻率，而在對(duì)低頻段信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，如果不采取一定的措施記錄這些低頻信號(hào)的時(shí)域特征需要很大的內(nèi)存空間。例如，在采樣頻率為8kHz時(shí)，被采集的信號(hào)頻率為15Hz，一個(gè)周期的數(shù)據(jù)量為600個(gè)，而在系統(tǒng)的LCD上用256個(gè)點(diǎn)是無(wú)法把這600個(gè)數(shù)據(jù)表述清楚的。要想更好地顯示時(shí)域波形，需要提高LCD每行顯示的個(gè)數(shù)或者縮小采樣頻率。對(duì)于要想改變LCD每行的顯示個(gè)數(shù)似乎不太現(xiàn)實(shí)；EP731的采樣頻率最小是8kHz，不能滿足需要；在設(shè)計(jì)中，使用了通過(guò)軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)減小采樣頻率的方法。具體原理如下：在采樣頻率一定時(shí)，兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔是一定的，時(shí)間間隔的大小為采樣頻率的倒數(shù)。可以按一定規(guī)律丟棄一些數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣頻率的減小。例如當(dāng)采樣頻率為8kHz時(shí)，進(jìn)行連續(xù)采樣5120個(gè)點(diǎn)放到數(shù)組data[5120]，然后按每16個(gè)數(shù)據(jù)取一個(gè)，即取data[512]中的0、15、31……、5103，此時(shí)實(shí)現(xiàn)的采樣頻率為500Hz，對(duì)于25Hz的信號(hào)在500Hz的采樣頻率下，時(shí)域波形能夠很好地顯示出來(lái)。

(2)  數(shù)據(jù)處理模塊

    在該模塊，采用FFT算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把得到的頻譜曲線和時(shí)域圖同時(shí)顯示在LCD上。FFT變換的具體實(shí)現(xiàn)如下：

首先進(jìn)行碼位倒置，得到FFT運(yùn)算所需要的輸入序列。然后采用3層循環(huán)完成全部運(yùn)算（N點(diǎn)FFT）。

第一層循環(huán)：算法討論中的“級(jí)”作為第一層循環(huán)，N點(diǎn)FFT運(yùn)算共有M級(jí)，這里，用m作循環(huán)變量，0 ≤ m < M。

第二層循環(huán)：算法討論中的“組”作為第二層循環(huán)，第m級(jí)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)，每一組里共有蝶形單元2^m個(gè)，用i作循環(huán)變量，0 ≤ i < 2^m。

    分析上面循環(huán)嵌套可以得出：第三層循環(huán)完成個(gè)2^m個(gè)蝶形單元計(jì)算；第二層循環(huán)使第三層循環(huán)進(jìn)行次，因此，當(dāng)?shù)诙友h(huán)完成時(shí)，共進(jìn)行次蝶形單元計(jì)算。第一層循環(huán)又使第二層循環(huán)進(jìn)行了M次，因此，當(dāng)?shù)谝粚友h(huán)完成時(shí)，共進(jìn)行了次蝶形單元計(jì)算。

(3)  波形顯示和刷新模塊

    由于要采樣的信號(hào)頻率的未知性，對(duì)采樣頻率的選擇設(shè)置了兩種方式：手動(dòng)方式和自動(dòng)模式。對(duì)于手動(dòng)模式，通過(guò)鍵盤人為地設(shè)定采樣頻率，然后進(jìn)行采樣，處理和時(shí)域圖、頻譜圖的顯示。對(duì)于自動(dòng)模式，首先通過(guò)設(shè)定采樣頻率為48kHz，然后采樣，通過(guò)FFT計(jì)算相應(yīng)的頻率大小，根據(jù)計(jì)算出的頻率來(lái)重新設(shè)定相應(yīng)的采樣頻率，在進(jìn)行采樣，顯示時(shí)域和頻域圖。例如，當(dāng)采樣信號(hào)頻率為25Hz時(shí)，在采樣頻率為48kHz時(shí)，進(jìn)行FFT處理后能夠得到頻率大小為50Hz，然后選擇采樣頻率為8kHz，軟件實(shí)現(xiàn)采樣頻率為500Hz，則此時(shí)能很好的顯示時(shí)域波形，并且此時(shí)FFT計(jì)算的頻率為25Hz，精度更高。

    下面介紹當(dāng)選擇采樣頻率為8kHz時(shí)，LCD的顯示情況。EP7312為L(zhǎng)CD的控制提供了良好的支持，顯示主要通過(guò)LCD控制器完成的。因?yàn)橐褧r(shí)域數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)FFT處理后的數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在LCD上，所以把LCD的上半屏分配用于顯示時(shí)域圖，下半屏用于顯示頻譜圖。由于LCD的坐標(biāo)與顯示波形所用坐標(biāo)的X軸方向相反，并且要把波形顯示在特定的區(qū)域，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在LCD右下角的坐標(biāo)為（0,0），時(shí)域和頻域的坐標(biāo)軸原點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)（300,27）、（300,137）。采集的音頻數(shù)據(jù)范圍為0~0X1FFFF，F(xiàn)FT變換過(guò)的數(shù)據(jù)范圍是0~0xFF。顯示時(shí)域圖的數(shù)據(jù)VAL與其在LCD上Y坐標(biāo)的關(guān)系式為：

Y=(data[2*(256-i)])*25/0xffff+180;

   由采樣頻率可以知道每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔是1/8000 s。LCD上時(shí)域圖中顯示的是512個(gè)中的256個(gè)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取其中一個(gè)，在時(shí)域圖的坐標(biāo)軸上每十個(gè)點(diǎn)顯示一個(gè)刻度，即每個(gè)格代表的時(shí)間是1.25ms。

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=137+NUM*90/0XFF

    在頻域圖上可以顯示當(dāng)前測(cè)得的主頻率。當(dāng)前主頻率具體計(jì)算公式如下：設(shè)FFT處理后得到的數(shù)組為frequency[512]，tempint對(duì)應(yīng)frequency數(shù)組中后256個(gè)數(shù)據(jù)中最大值出現(xiàn)的位置，則此時(shí)主要頻率大小為(512-tempint)*4000/256。當(dāng)采樣頻率為8kHz時(shí)，可測(cè)得的頻率范圍為16～4000Hz，即256個(gè)點(diǎn)等分4000Hz。

    圖6是當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生140Hz的被測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)采樣頻率為8kHz時(shí)，該信號(hào)的時(shí)域波形及經(jīng)過(guò)變換得到的頻譜曲線。從圖中可以看到，通過(guò)FFT變換可較準(zhǔn)確地掌握輸入信號(hào)的頻率特性。

3  結(jié)語(yǔ)

    本文以嵌入式處理器EP7312和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片UDA1341 為核心設(shè)計(jì)了音頻數(shù)據(jù)采集和FFT處理系統(tǒng)。采用了fiq技術(shù)對(duì)音頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)性的采集，具有速度快，采樣頻率可靈活設(shè)置等特點(diǎn)，可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、故障診斷等便攜式語(yǔ)音采集、顯示和頻譜分析的場(chǎng)合。

圖6  在LCD上顯示的時(shí)域和頻域圖