嵌入式Linux--Linux音频驱动实验

音频是Linux与Android的核心应用，本章围绕正点原子I.MX6ULL ALPHA开发板，聚焦WM8960音频编解码芯片，讲解如何使能其驱动，实现音乐播放与录音功能。

音频接口简介

.1 音频编解码芯片的必要性

处理器处理的是二进制数字信号，而外界声音为模拟信号。处理器“听声”需ADC芯片将模拟信号转数字信号，“发声”则靠DAC芯片将数字信号转模拟信号。若仅满足基础收发声，单独的ADC与DAC芯片可行，但音频应用对音质、音效调节、声音处理、接口标准化及开发便捷性有更高要求。将这些功能集成，便诞生了音频编解码芯片（Audio CODEC），手机、计算机提及的“CODEC”多指此类芯片。

音频CODEC的核心指标是采样率与采样位数，常见采样率有8kbps、44.1kbps、48kbps等，采样位数涵盖8位、16位、24位、32位。二者数值越高，声音还原越真实，HIFI音质便源于此，高端音频播放器也因此具备高采样率、高采样位数，成本也随之提升。

.2 WM8960芯片特性

WM8960是Wolfson（欧胜）推出的低功耗、高质量立体声音频CODEC，广泛应用于正点原子ALPHA开发板，具备诸多特性：

- 性能指标：DAC信噪比（SNR）达98dB，3.3V、48kHz下谐波失真（THD）为-84dB；ADC信噪比94dB，同条件下谐波失真为-82dB。

- 功能集成：集成3D增强功能；内置立体声D类功放，8Ω负载下每通道可驱动1W喇叭；自带耳机、麦克风接口。

- 采样支持：支持8kbps、11.025kbps、12kbps等多档采样率。

其整体框图含四类接口：

1. 输入接口：提供3路立体声输入源（LINPUT1/RINPUT1、LINPUT2/RINPUT2、LINPUT3/RINPUT3），用于接入麦克风或线路输入，硬件设计时需确定音频输入通道。

2.输出接口：SPK_LP/SPK_LN、SPK_RP/SPK_RN分别连接左右声道喇叭，支持1W、8Ω负载；HP_L/HP_R连接耳机。

3. 数字音频接口：含5根线，承担主控制器与WM8960的数据交互。ADCDAT输出ADC采集的数字信号；ADCLRC为ADC帧时钟，切换左右声道，频率等于采样率，可复用为GPIO；DACDAT接收主控制器输入的DAC数字信号；DACLRC功能同ADCLRC；SCLK为位时钟，实现同步；MCLK为主时钟，由I.MX6ULL提供，频率为采样率的256或384倍。

4. 控制接口：采用标准I²C接口，用于配置WM8960，确保芯片正常工作。

.3 I²S总线接口

I²S（Inter-IC Sound）是飞利浦提出的数字音频传输总线，用于主控制器与音频CODEC间的音频数据传输，I.MX6ULL的SAI外设与WM8960均支持该协议。

I²S接口信号线及功能如下：

- SCK（串行时钟/位时钟）：音频数据每一位对应一个SCK，立体声双声道下，SCK = 2×采样率×采样位数，如44.1kHz、16位立体声，SCK = 1.4112MHz。

- WS（字段选择/帧时钟）：即LRCK，切换左右声道，WS为1传输左声道，为0传输右声道，频率等于采样率。

- SD（串行数据）：承载实际音频数据，收发需两根线，数据最高位优先传输，出现在帧开始后的第2个SCK脉冲处。

- MCLK（主时钟）：为保障同步，引入MCLK，频率为采样率的256或384倍。

基于DATA与LRCK、SCLK的位置关系，I²S衍生出Left Justified（左对齐）和Right Justified（右对齐）两种数据格式。

.4 I.MX6ULL SAI外设

I.MX6ULL的SAI（Synchronous AudioInterface）是全双工、支持帧同步的串行接口，兼容I²S、AC97、TDM及音频DSP协议，核心特性包括：

- 帧最大支持32个字，字大小可选8bit或32bit。

- 收发通道各配备32×32bit的FIFO，FIFO出错后支持平滑重启。

2 硬件原理图分析

正点原子ALPHA开发板音频硬件核心涉及两个接口：

1. SAI接口：使用6根数据线，实现I.MX6ULL与WM8960的音频数据收发。

2. I²C接口：WM8960通过I²C2连接至I.MX6ULL，用于芯片配置。

3 音频驱动使能

NXP官方已编写WM8960驱动，仅需配置内核使能，核心是修改设备树，涉及I²C与SAI两类接口节点。

3.1 修改设备树

1. WM8960 I²C接口设备树：WM8960接在I.MX6ULL的I²C2接口，需在i2c2节点下添加WM8960信息。设备树必备属性为：

- `compatible`：设为“wolfson,wm8960”，关联驱动文件`sound/soc/codecs/wm8960.c`。

- `reg`：指定WM8960的I²C地址，ALPHA开发板为0x1a。

可选属性含`wolfson,shared-lrclk`、`wolfson,capless`，NXP官方I.MX6ULL EVK开发板的WM8960节点已预置，仅需补充时钟配置，指定时钟源为SAI2，命名为mclk。

2. I.MX6ULL SAI音频接口设备树：SAI接口配置参考`Documentation/devicetree/bindings/sound/fsl-sai.txt`，`imx6ull.dtsi`已定义SAI2节点，默认关闭，需在`imx6ull-alientek-emmc.dts`中修改：

- 开启SAI2，将`status`设为“okay”。

- 配置引脚复用（pinctrl），包含SAI2接口引脚与耳机插入检测引脚，ALPHA开发板与EVK引脚一致，无需调整。

- 配置时钟，指定时钟源与频率。

4 alsa-utils移植

alsa-utils提供音频控制与测试工具，移植步骤如下：

1. 配置编译：执行配置命令，指定安装路径、交叉编译工具，禁用alsamixer编译（因ncurses依赖问题），命令示例：

```bash

./configure --prefix=/home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/tool/alsa-lib --host=arm-linux-gnueabihf --disable-alsamixer

```

编译后生成bin、sbin、share目录。

2. 文件复制：将生成目录的文件分别复制到开发板根文件系统的`/bin`、`/sbin`、`/usr/share`目录。

3. 环境配置：在开发板`/etc/profile`中添加`exportALSA_CONFIG_PATH=/usr/share/arm-alsa/alsa.conf`，指定alsa配置文件路径。

5声卡设置与测试

5.1 amixer使用指南

amixer是alsa-utils的命令行声卡设置工具，功能与图形化工具alsamixer一致，操作如下：

1. 查看帮助：输入`amixer`，获取命令分组与使用说明，分为s开头的简化组与c开头的完整组，简化组操作更便捷。

2. 查看设置项：用`amixer scontrols`和`amixer controls`分别查看简化与完整的设置项，涵盖耳机、喇叭音量，输入输出控制等。

3. 查看设置值：执行`amixer scontents`查看简化组设置值，如耳机音量范围0~127，部分项目为bool型，仅on/off状态。

4. 设置与获取值：设置用`amixer sset 设置项目 设置值`或`amixer cset 设置项目 设置值`；获取用`amixer sget 设置项目`或`amixer cget 设置项目`。

5.2 音乐播放测试

1. 声卡设置：首次使用前，执行命令开启耳机、喇叭，设置音量，命令如下：

```bash

amixer sset Headphone 100,100

amixer sset Speaker 120,120

amixer sset 'Right Output Mixer PCM' on

amixer sset 'Left Output Mixer PCM' on

```

2. 播放测试：将WAV格式音乐文件放入开发板，用`aplay 文件名`播放，ALPHA开发板支持麦克风与耳机自动切换，不插耳机从麦克风播放，插耳机切换至耳机播放。

5.3 MIC录音测试

1. 声卡配置：创建`mic_in_config.sh`脚本，配置捕获音量、PCM、播放通道、ADC等参数，涵盖耳机、喇叭音量及输入通道管理，赋予执行权限并运行。

2. 音频录制：用`arecord -f cd -d 10 record.wav`录制10秒CD级WAV音频，录制时对着板载麦克风说话，默认仅左声道有数据。

3. 立体声录制优化：修改WM8960的R23寄存器，将值从0x01c0改为0x01c4，使左右声道共用左ADC数据，重新编译内核后，录制音频变为立体声。

5.4 Line in录音测试

若此前修改了R23寄存器，建议改回0x01c0（ALPHA开发板LINE IN为双声道，无需共用左声道，不改也可测试）。

1. 声卡设置：创建`line_in_config.sh`脚本，配置捕获音量、通道开关，重点开启RINPUT3通道，屏蔽其他干扰通道，赋予权限并运行。

2. 音频录制：用3.5mm公对公音频线连接手机/计算机与开发板LINE IN接口，执行`arecord -f cd -d 10 record.wav`录制，录制音频为立体声。

6 开机自动配置声卡

开发板重启后声卡设置会丢失，可通过alsactl工具保存配置：

1. 保存配置：创建`/var/lib/alsa`目录，用`amixer`设置声卡后，执行`alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state store`保存配置，生成`asound.state`文件。

2. 恢复配置：执行`alsactl -f /var/lib/alsa/asound.state restore`恢复配置。

3. 开机自启：在`/etc/init.d/rcS`末尾添加判断与恢复命令，若`asound.state`存在，输出提示并执行恢复，重启后自动配置声卡。

7 alsamixer使用详解

alsamixer是图形化声卡配置工具，基于ncurses界面，操作便捷：

1. 启动与界面：终端输入`alsamixer`启动，顶部显示声卡名称、视图模式、选中项增益；中间为音量滑块；底部为快捷键提示。

2. 核心操作：

- 视图切换：F3切换播放设置，F4切换录音设置，F5显示所有选项，F6选择声卡，F1/F2查看帮助与系统信息。

- 导航调节：左右键选择设置项，上下键调节音量。

- 静音控制：M键切换静音状态，MM表示静音，00为开启。

- 退出：Esc键退出。

3. 补充说明：交叉编译时因ncurses依赖问题，常无法编译alsamixer，可用amixer替代，二者功能一致。嵌入式开发推荐用Buildroot或Yocto构建根文件系统，便于处理依赖，编译出alsamixer。