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:
嵌入式音频系统组成
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。
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参数 | 描述 |
---|---|
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:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参数 | 描述 |
---|---|
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:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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 编解码器,录音设备则读取数据。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)
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参数 | 描述 |
---|---|
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 */
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 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。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 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。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参数 | 描述 |
---|---|
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。
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参数 | 描述 |
---|---|
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。
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);
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参数 | 描述 |
---|---|
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。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
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); ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
我们的产品专家为您找到最合适的产品/解决⽅案
1v1线上咨询获取售前专业咨询
专业产品顾问,随时随地沟通