S3C2416裸機開發系列十九
Fatfs下播放錄音wav音頻檔案
象棋小子 1048272975
對于多媒體資源，一般都是以檔案的形式存儲在固化存儲器中。Fatfs所支援的fat32為windows支援的檔案系統，是以在嵌入式系統中采用Fatfs檔案系統可極大地擴充系統的應用。例如，把計算機上圖檔，音頻，視訊，文本等資源直接拷貝到嵌入式系統中的固化存儲器中，在系統中即可直接應用這些資源。把嵌入式系統中錄制的音頻、視訊直接儲存成一定的格式，在計算機上可直接播放處理，把傳感器采集的資料儲存成txt或dat檔案，在計算機上通過處理生成資料曲線分析等。筆者此處就wav音頻檔案的播放與錄音進行簡單的介紹。
1. wav音頻格式
Wave是錄音時用的标準windows檔案格式，檔案擴充名為”.wav”，資料本身的格式為PCM或壓縮型，它是由微軟與IBM聯合開發的用于音頻數字存儲的标準，采用RIFF檔案格式結構。
RIFF全稱資源互換檔案格式，是windows下大部分多媒體檔案遵循的一種檔案結構，除了本文所說的波形格式資料(.wav)，采用RIFF格式結構的檔案還有音頻視訊交錯格式(.avi)、位圖格式(.rdi)、MIDI格式(.rmi)、調色闆格式(.pal)、多媒體電影(.rmn)、動畫光标(.ani)。
RIFF結構的基本單元為chunk，它的結構如下：
struct chunk {
unsignedint id;
unsignedint size;
unsigned chardata[size];
}
Id為4個ascii字元組成，用來識别塊中所包含的資料，如”RIFF”、”WAV ”、”data”、”fmt ”等；size是存儲在data域中資料的長度，不包括id與size域的大小；data[size]為該塊儲存的資料，以字為機關排列。
wav音頻檔案作為RIFF結構，其由若幹個chunk組成，按照在檔案中的位置包括：RIFF chunk，fmt chunk，fact chunk(可選)，data chunk。所有RIFF結構檔案均會首先包含RIFF chunk，并指明RIFF類型，此處為”WAVE”。對于wav檔案，在fmt chunk中指明音頻檔案的資訊，例如采樣位數、采樣頻率、聲道數、編碼方式等。對于壓縮型wav音頻，還會有一個fact chunk，用以指明解壓後音頻資料的大小，對于PCM非壓縮wav檔案，并沒有該chunk。音頻資料儲存在data chunk中，根據fmt chunk中指明的聲道數以及采樣位數，wav音頻資料存放形式有不同的方式。
一個PCM格式的wav結構定義Wav.h如下：
#ifndef __WAV_H__
#define __WAV_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
//資源互換檔案格式RIFF，樹狀結構，基本機關是chunk，整個檔案由chunk構成
typedef struct RIFF_HEADER {
char Riff_ID[4];
unsigned int Riff_Size;//記錄整個RIFF檔案的大小，除ID和Size這兩個變量
char Riff_Format[4];
} RIFF_HEADER;
typedef struct WAVE_FORMAT {
unsigned short FormatTag; //聲音的格式代号
unsigned short Channels; //聲音通道
unsigned int SamplesPerSec; //采樣率
unsigned int AvgBytesPerSec; //=采樣率*區塊對其機關
unsigned short BlockAlign; //區塊對其機關=每個取樣所需位數*聲音通道/8
unsigned short BitsPerSample; //每個取樣所需位數
} WAVE_FORMAT;
typedef struct FMT_CHUNK {
char Fmt_ID[4];
unsigned int Fmt_Size;//記錄fmt的大小
WAVE_FORMAT WaveFormat;
} FMT_CHUNK;
typedef struct DATA_CHUNK {
char Data_ID[4];
unsigned int Data_Size;//記錄data區的大小
} DATA_CHUNK;
typedef struct WAVE_HEADER {
RIFF_HEADER RiffHeader;
FMT_CHUNK FmtChunk;
DATA_CHUNK DataChunk;
} WAVE_HEADER;
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
根據以上的wav結構定義，一個錄音檔案的wav檔案頭可如下定義：
static WAVE_HEADER RecorderWaveHeader = {
'R', 'I', 'F', 'F',
sizeof(WAVE_HEADER) - 8,//整個wave檔案大小,初始化值
'W', 'A', 'V', 'E',
'f', 'm', 't', ' ',
sizeof(FMT_CHUNK) - 8,
1,//編碼方式，線性PCM編碼
1,//單聲道
10000,//采樣率為10k
20000,//每個采樣2個位元組
2,//每個采樣2個位元組
16,//每個采樣需16位
'd', 'a', 't', 'a',
0, //data長度初始化為0
};
2. wav音頻檔案的播放或錄音
sd卡由于其可插拔、靈活性好，通常應用于裝置的擴充存儲應用。計算機上wav音頻等檔案可輕易地拷貝到fat32格式的sd卡上，在嵌入式系統中要使用sd卡，首先需實作sd卡驅動，這在前面的章節有詳細的介紹，此處不再詳述。fat32檔案的讀寫還需要相應檔案系統的接口支援，此處選用Fatfs，對于不同的嵌入式系統，這是需要移植的部分，關于s3c2416下Fatfs檔案系統的移植在前面章節有詳細的介紹，此處不再詳述。從wav檔案讀出音頻資料後(播放)，還需要把音頻資料傳輸給聲霸卡，聲霸卡還原出聲音模拟信号，即可聽到聲音。音頻資料的處理需要用到音頻編解碼器，資料的傳輸也有一定的音頻總線要求，是以還需要音頻驅動的實作，這部分在前面的章節有詳細的介紹，此處不再詳述。
3. 應用執行個體
工程中利用序列槽對耳機音量進行加大、調小，對Mic錄音進行靈敏度的調節，通過序列槽輸入進行播放wav音頻或開始錄音。播放時實時顯示播放進度并可按下’s’後停止播放，錄音時實時顯示錄音wav檔案的大小并可按下’s’後停止錄音。
main.c的内容如下:
#include"s3c2416.h"
#include"UART0.h"
#include"ff.h"
#include"diskio.h"
#include "RTC.h"
#include"Wav.h"
#include"IIS.h"
#include"IIC.h"
#include"WM8960.h"
staticWAVE_HEADER RecorderWaveHeader = {
'R', 'I', 'F', 'F',
sizeof(WAVE_HEADER) - 8,//整個wave檔案大小
'W', 'A', 'V', 'E',
'f', 'm', 't', ' ',
sizeof(FMT_CHUNK) - 8,
1,//編碼方式，線性PCM編碼
1,//單聲道
10000,//采樣率為10k
20000,//每個采樣2個位元組
2,//每個采樣2個位元組
16,//每個采樣需16位
'd', 'a', 't', 'a',
0, //data長度初始化為0
};
// 音頻資料緩存20KB
unsigned charAudioBuffer[20*1024];
int main()
{
FATFS fs;
FIL file;
FRESULT Res;
unsigned int i;
unsigned int BufferLen;
unsigned char *pData;
WAVE_HEADER WaveHeader;
int ByteWrite, ByteRead;
unsigned char State;
unsigned char VolumeLevel;
unsigned short Command;
const char Path1[] = "test.wav";
const char Path2[] = "1.wav";
char FilePath[256];
unsigned int Size = 0;
unsigned int AudioSize = 0;
unsigned int TotalSize = 0;
RTC_Time Time = {
2014, 5, 22, 23, 00, 0, 5
};
RTC_Init(&Time); // RTC初始化
Uart0_Init(); // 序列槽初始化
IIC_Init(); //IIC初始化,音頻晶片控制
IIS_Init(); // IIS音頻接口初始化
WM8960_Init(); // 音頻編解碼器初始化
RTC_GetTime(&Time); // 顯示RTC時間
Uart0_Printf("Time: %4d/%02d/%02d%02d:%02d:%02d\r\n", Time.Year,
Time.Month, Time.Day, Time.Hour,Time.Min, Time.Sec);
f_mount(&fs, "" , 0);
ByteRead = 0;
pData = (unsigned char *)0;
for (i=0; i<sizeof(Path1); i++) {
FilePath[i] = Path1[i];
}
State = 1; // 進入播放test.wav狀态
while(1) {
switch (State) {
case 0: // 操作選擇
WM8960_HeadphoneStop();
WM8960_RecorderStop();
IIS_TxPause();
IIS_RxPause();
Uart0_SendString("\r\nSelect:\r\n"
"0: Play test.wav\r\n"
"1: Play recording file\r\n"
"2: Start recorder\r\n"
"3: Recorder volume up\r\n"
"4: Recorder volume down\r\n"
"5: Player volume up\r\n"
"6: Player volume down\r\n"
);
while(State == 0) {
// 等待序列槽選擇操作,阻塞型
Command = Uart0_ReceiveByte();
switch (Command) {
case '0': // 播放test.wav
for (i=0; i<sizeof(Path1);i++) {
FilePath[i] = Path1[i];
}
State = 1; // 轉到開始播放wav狀态
break;
case '1': // 播放錄音wav
for (i=0; i<sizeof(Path2);i++) {
FilePath[i] = Path2[i];
}
State = 1; // 轉到開始播放wav狀态
break;
case '2':
State = 3; // 轉到開始錄音狀态
break;
case '3': // Mic靈敏度增加
VolumeLevel = WM8960_RecorderVolume(VolumeUp);
Uart0_Printf("Recordervolume %d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
case '4': // Mic靈敏度減小
VolumeLevel =WM8960_RecorderVolume(VolumeDown);
Uart0_Printf("Recorder volume%d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
case '5': // 耳機音量增加
VolumeLevel =WM8960_HeadphoneVolume(VolumeUp);
Uart0_Printf("Player volume%d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
case '6': // 耳機音量降低
VolumeLevel =WM8960_HeadphoneVolume(VolumeDown);
Uart0_Printf("Player volume%d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
default:
break;
}
}
Uart0_SendString("\r\n");
break;
case 1: // 開始播放音頻
// 打開wav音頻檔案
Res = f_open(&file, FilePath, FA_READ | FA_OPEN_EXISTING);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Open %s failed\r\n",FilePath);
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
// 讀取wav音頻檔案頭,獲得音頻采樣率,位數,聲道數資訊
Res = f_read(&file, (unsignedchar *)&WaveHeader,
sizeof(WAVE_HEADER),(unsigned int *)&ByteRead);
if (Res != RES_OK) {
f_close(&file);
Uart0_Printf("Read wavheader error\r\n");
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
// 讀取一小段音頻資料到緩存中
Res = f_read(&file,(unsigned int *)AudioBuffer,
sizeof(AudioBuffer), (unsignedint *)&ByteRead);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Read wavdata error\r\n");
f_close(&file);
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
if (ByteRead <sizeof(AudioBuffer)) { // 檔案到結尾
// 已播放到檔案的結尾,重定位到音頻檔案的開始
Res = f_lseek(&file,sizeof(WAVE_HEADER));
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("f_lseek error\r\n");
f_close(&file);
State= 0; // 進入到操作選擇界面
break;
}
}
// 根據wav檔案頭的音頻資訊初始化音頻驅動的播放參數
IIS_TxInit(WaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.SamplesPerSec,
WaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.BitsPerSample,
WaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.Channels);
// wav檔案的總檔案大小,bytes計
TotalSize =WaveHeader.RiffHeader.Riff_Size;
pData = AudioBuffer; // 播放指向音頻緩存區
// 把pData指向的資料寫入音頻緩存,最大允許寫入
// ByteRead位元組,傳回實際寫入到音頻緩存的位元組數
BufferLen = IIS_WriteBuffer(pData,ByteRead);
ByteRead -= BufferLen; // 資料剩餘位元組數
pData += BufferLen; // 資料下一次開始寫入的位置
Size = BufferLen; // 播放的長度
AudioSize = 0; // 已播放的音頻長度
WM8960_HeadphoneStart(); // 打開耳機播放通道
IIS_TxStart(); // IIS開始傳輸音頻播放
State= 2; // 轉入正在播放音頻狀态
Uart0_SendString("PlayingMusic, press 's' to stop"
"playing at any time\r\n");
Uart0_SendString("Playbackprogress: 00.0%");
}
}
}
break;
case 2:// 正在播放音頻
if (ByteRead > 0) {
// 傳回值的高8位不為0,說明低8位鍵值有效,查詢是否有序列槽輸入,非阻塞
Command = Uart0_Peek();
if (Command & (0xff<<8)) {// 有按鍵按下
if ((Command & 0xff) == 's'){ // 按下了's'
f_close(&file);
State = 0; // 傳回到操作選擇界面
break;
}
}
if (Size > 20*1024) { // 播放了20k大小的音頻資料
AudioSize += (Size>>10);// 累計己播放的總音頻資料大小(KB)
Size = 0;
Uart0_SendString("\b\b\b\b\b");
// 顯示播放進度的百分比
Uart0_Printf("%02d.%d%%",(AudioSize*100)/(TotalSize>>10),
((AudioSize*100)%(TotalSize>>10))*10/(TotalSize>>10));
}
// 連續寫入音頻資料到音頻緩存中,實作連續播放
BufferLen = IIS_WriteBuffer(pData,ByteRead);
ByteRead -= BufferLen; // 資料剩餘位元組數
pData += BufferLen; // 資料下一次開始寫入的位置
Size += BufferLen;
} else { // 播放完緩存中的音頻資料,再從sd卡加載下一段音頻資料
// 一段音頻資料播放完後,從sd卡中加載下一段資料
Res = f_read(&file, (unsignedchar *)AudioBuffer,
sizeof(AudioBuffer),(unsigned int *)&ByteRead);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Read wav dataerror\r\n");
f_close(&file);
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
pData = AudioBuffer; // 重定位到資料首位置
if (ByteRead <sizeof(AudioBuffer)) {
// 到檔案結尾,檔案重定位到開頭,重播放
Uart0_Printf("\r\n");
Uart0_Printf("replay%s\r\n", FilePath);
Uart0_SendString("Playbackprogress: 00.0%");
Size = 0;
AudioSize = 0;
Res = f_lseek(&file,sizeof(WAVE_HEADER));
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Replayaudio error\r\n");
f_close(&file);
State = 0; // 進入到操作選擇界面
}
}
}
}
break;
case 3: // 開始錄音
// 建立錄音儲存1.wav檔案
Res = f_open(&file, "1.wav",FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Create 1.wavfailed\r\n");
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
// 寫入wav檔案頭
Res = f_write(&file, (unsignedchar *)&RecorderWaveHeader,
sizeof(WAVE_HEADER), (unsignedint *)&ByteWrite);
if (Res != RES_OK) {
f_close(&file);
Uart0_Printf("Write wavheader error\r\n");
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
// 初始化錄音參數,采樣率,采樣位數,聲道數
IIS_RxInit(RecorderWaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.SamplesPerSec,
RecorderWaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.BitsPerSample,
RecorderWaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.Channels);
Size = 0;
AudioSize = 0; // 總錄音檔案大小初始化0
pData = AudioBuffer; // 指向錄音緩存區
ByteWrite = sizeof(AudioBuffer);// 一段音頻緩存的大小
WM8960_RecorderStart(); //WM8960打開錄音通道
IIS_RxStart(); // IIS開始接收錄音資料
State = 4; // 轉到正在錄音狀态
Uart0_SendString("Recording,press 's' to stop recording"
"at any time\r\n");
Uart0_SendString("Recording(KB): ");
}
}
break;
case 4:// 正在錄音
if (ByteWrite > 0) {
// 傳回值的高8位不為0,說明低8位鍵值有效,查詢是否有序列槽輸入,非阻塞
Command = Uart0_Peek();
if (Command & (0xff<<8)) {// 有按鍵按下
if ((Command & 0xff) == 's'){ // 按下了's'
// 停止錄音,更改wav檔案頭檔案大小
f_lseek(&file, 0); // 定位到檔案頭
// 資料大小改為錄音的音頻大小
RecorderWaveHeader.DataChunk.Data_Size= AudioSize;
// RIFF大小改為整個檔案檔案的大小
RecorderWaveHeader.RiffHeader.Riff_Size=
(sizeof(WAVE_HEADER)-8) + AudioSize;
// 更改wav檔案頭資訊
f_write(&file, (unsignedchar *)&RecorderWaveHeader,
sizeof(WAVE_HEADER),(unsigned int *)&ByteWrite);
f_close(&file);
State = 0; // 進入到操作選擇界面
break;
}
}
if (Size > 20*1024) { // 記錄了20k大小的音頻資料
AudioSize += Size; // 累計己播放的總音頻資料大小
Size = 0;
Uart0_SendString("\b\b\b\b\b\b");
// 顯示已錄音的檔案大小
Uart0_Printf("%6d",(AudioSize>>10));
}
// 從音頻緩存中讀取錄音資料到pData中,最大允許讀取ByteWrite
// 位元組大小,傳回實際從音頻緩存中讀取的位元組數
BufferLen = IIS_ReadBuffer(pData,ByteWrite);
ByteWrite -= BufferLen; // 剩餘記憶體空間位元組數
pData += BufferLen; // 下一位讀開始存入的記憶體位置
Size += BufferLen;
} else { // 緩存已滿,寫入緩存資料到sd卡中
Res = f_write(&file, (unsignedchar *)&AudioBuffer,
sizeof(AudioBuffer),(unsigned int *)&ByteWrite);
if (Res != RES_OK) {
f_close(&file);
Uart0_Printf("Write 1.waverror\r\n");
State = 0; // 進入到操作選擇界面
} else {
pData = AudioBuffer;
ByteWrite = sizeof(AudioBuffer);
}
}
break;
default:
break;
}
}
}
4. 附錄
通過Fatfs的api函數，可以輕易讀寫windows下常見格式檔案，這和windows/Linux下操作檔案差異不大。播放對wav音頻檔案無特殊要求，可任意采樣率、采樣位數、單/雙聲道，插上耳機即能聽到聲音，錄制wav音頻對采樣率、采樣位數、聲道數、錄制長度等均沒有任何限制，錄制好的wav音頻檔案可直接在計算機上播放。雖然wav格式音頻檔案較占用存儲空間，但其是無損的，音質在相同碼率下遠好于mp3等有損壓縮音頻檔案。
Wav_GCC.rar，GCC下wav音頻檔案播放與錄制工程，可直接make。
http://pan.baidu.com/s/1c05s2cg
Wav_MDK.rar，MDK下wav音頻檔案播放與錄制工程
http://pan.baidu.com/s/1i33guiD
test.wav，wav播放測試音頻檔案，11.025k采樣率、16位、單聲道音樂，可通過音頻格式轉換軟體生成wav音頻檔案。
http://pan.baidu.com/s/1eQzOErg
![SDIO、SD卡和FATFS檔案系統了解[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)