Linux 音频驱动

2022-10-17 11:43:42

音频是我们最常用到的功能，音频也是 linux 和安卓的重点应用场合。I.MX6ULL 带有 SAI接口，正点原子的 I.MX6ULL ALPHA 开发板通过此接口外接了一个 WM8960 音频 DAC 芯片，本章我们就来学习一下如何使能 WM8960 驱动，并且通过 WM8960 芯片来完成音乐播放与录音。

1.音频接口简介

1.1 为什么需要音频解码

处理器要想“听到”外界的声音必须要把外界的声音转化为自己能够理解的“语言”，处理器能理解的就是 0 和 1，也就是二进制数据。所以我们需要先把外界的声音转换为处理器能理解的 0 和 1，在信号处理领域，外界的声音是模拟信号，处理器能理解的是数字信号，因此这里就涉及到一个模拟信号转换为数字信号的过程，而完成这个功能的就是 ADC 芯片。
同理，如果处理器要向外界传达自己的“心声”，也就是放音，那么就涉及到将处理器能理解的 0 和 1 转化为外界能理解的连续变化的声音，这个过程就是将数字信号转化为模拟信号，而完成这个功能的是 DAC 芯片。
现在我们知道了，处理器如果既想“听到”外界的声音，又想向外界传达自己的“心声”，那么就需要同时用到 DAC 和 ADC 这两款芯片。那是不是买两颗 DAC 和 ADC 芯片就行了呢？答案肯定是可以的，但是音频不单单是能出声、能听到就行。我们往往需要听到的声音动听、录进去的语音贴近真实、可以调节音效、对声音能够进行一些处理(需要 DSP 单元)、拥有统一的标准接口，方便开发等等。将这些针对声音的各种要求全部叠加到 DAC 和 ADC 芯片上，那么就会得到一个专门用于音频的芯片，也就是音频编解码芯片，英文名字就是 Audio CODEC，所以我们在手机或者电脑的介绍中看到“CODEC”这个词语，一般说的都是音频编解码。
既然音频 CODEC 的本质是 ADC 和 DAC，那么采样率和采样位数就是衡量一款音频CODEC 最重要的指标。比如常见音频采样率有 8K、44.1K、48K、192K 甚至 384K 和 768K，采样位数常见的有 8 位、16 位、24 位、32 位。采样率和采样位数越高，那么音频 CODEC 越能真实的还原声音，也就是大家说的 HIFI。因此大家会看到高端的音频播放器都会有很高的采样率和采样位数，同样的价格也会越高。当然了，实际的效果还与其他部分有关，采样率和采样位数只是其中重要的指标之一。

1.2 WM8960

WM8960 是一颗由 wolfson(欧胜)公司出品的音频编解码芯片，是一颗低功耗、高质量的立体声音频 CODEC。集成 D 类喇叭功放，每个通道可以驱动一个 1W 喇叭(8Ω)。内部集成 3 个立体声输入源，可以灵活配置，拥有一路完整的麦克风接口。WM8960 内部 ADC 和 DAC 都为24 位，WM8960 主要特性如下所示
①、DAC 的 SNR(信噪比)为 98dB，3.3V、48KHz 下 THD(谐波失真)为-84dB。
②、ADC 的 SNR(信噪比)为 94dB，3.3V、48KHz 下 THD(谐波失真)为-82dB。
③、3D 增强。
④、立体声 D 类功放，可以直接外接喇叭，8Ω负载下每通道 1W。
⑤、集成耳机接口。
⑥、集成麦克风接口。
⑦、采样率支持 8K、11.025K、12K、16K、22.05K、24K、32K、44.1K 和 48K。

①、此部分是 WM8960 提供的输入接口，作为立体声音频输入源，一共提供了三路，分别为 LINPUT1/RINPUT1、LINPUT2/RINPUT2、LINPUT3/RINPUT3。麦克风或线路输入就连接到此接口上，这部分是需要硬件工程师重点关心的，因为音频选择从哪一路进入需要在画 PCB 的时候就应该定好。
②、此部分是 WM8960 的输出接口，比如输出给耳机或喇叭，SPK_LP/SPK_LN 用于连接左声道的喇叭，支持 1W 的 8Ω喇叭。SPK_RP/SPK_RN 用于连接右声道的喇叭，同样支持 1W的 8Ω喇叭，最后就是 HP_L/HP_R，用于连接耳机。
③、此部分是数字音频接口，用于和主控制器连接，有 5 根线，用于主控制器和 WM8960之间进行数据“沟通”。主控制器向 WM8960 的 DAC 发送的数据，WM8960 的 ADC 向主控制传递的数据都是通过此音频接口来完成的。这个接口非常重要，是我们驱动开发人员重点关注的，此接口支持 I2S 格式。此接口 5 根线的作用如下：
ADCDAT：ADC 数据输出引脚，采集到的音频数据转换为数字信号以后通过此引脚传输给主控制器。
ADCLRC：ADC 数据对齐时钟，也就是帧时钟(LRCK)，用于切换左右声道数据，此信号的频率就是采样率。此引脚可以配置为 GPIO 功能，配置为 GPIO 以后 ADC 就会使用 DACLRC引脚作为帧时钟。
DACDAT：DAC 数据输入引脚，主控器通过此引脚将数字信号输入给 WM8960 的 DAC。
DACLRC：DAC 数据对齐时钟，功能和 ADCLRC 一样，都是帧时钟(LRCK)，用于切换左右声道数据，此信号的频率等于采样率。
BCLK：位时钟，用于同步。
MCLK：主时钟，WM8960 工作的时候还需要一路主时钟，此时钟由 I.MX6ULL 提供，MCLK 频率等于采样率的 256 或 384 倍，因此大家在 WM8960 的数据手册里面常看到MCLK=256fs 或 MCLK=384fs。
④、此部分为控制接口，是一个标准的 I2C 接口，WM8960 要想工作必须对其进行配置，这个 I2C 接口就是用于配置 WM8960

1.3 I2S总线

I2S 总线用于主控制器和音频 CODEC 芯片之间传输音频数据。因此，要想使用 I2S 协议，主控制器和音频 CODEC 都得支持 I2S 协议，I.MX6ULL 的 SAI 外设就支持 I2S 协议，WM8960 同样也支持 I2S，所以本章实验就是使用 I2S 协议来完成的。I2S 接口需要 3 根信号线(如果需要实现收和发，那么就要 4根信号线，收和发分别使用一根信号线)：

另外，有时候为了使音频 CODEC 芯片与主控制器之间能够更好的同步，会引入另外一个叫做 MCLK 的信号，也叫做主时钟或系统时钟，一般是采样率的 256 倍或 384 倍。

1.4 SAI简介

STM32 中就是通过 SAI 接口来连接音频CODEC,I.MX6ULL 的 SAI 是一个全双工、支持帧同步的串行接口，支持 I2S、AC97、TDM 和音频DSP，SAI 主要特性如下：
①、帧最大为 32 个字。
②、字大小可选择 8bit 或 32bit。
③、每个接收和发送通道拥有 32×32bit 的 FIFO。
④、FIFO 错误以后支持平滑重启。