S3C2416裸机开发系列十九
Fatfs下播放录音wav音频文件
象棋小子 1048272975
对于多媒体资源，一般都是以文件的形式存储在固化存储器中。Fatfs所支持的fat32为windows支持的文件系统，因此在嵌入式系统中采用Fatfs文件系统可极大地扩展系统的应用。例如，把计算机上图片，音频，视频，文本等资源直接拷贝到嵌入式系统中的固化存储器中，在系统中即可直接应用这些资源。把嵌入式系统中录制的音频、视频直接保存成一定的格式，在计算机上可直接播放处理，把传感器采集的数据保存成txt或dat文件，在计算机上通过处理生成数据曲线分析等。笔者此处就wav音频文件的播放与录音进行简单的介绍。
1. wav音频格式
Wave是录音时用的标准windows文件格式，文件扩展名为”.wav”，数据本身的格式为PCM或压缩型，它是由微软与IBM联合开发的用于音频数字存储的标准，采用RIFF文件格式结构。
RIFF全称资源互换文件格式，是windows下大部分多媒体文件遵循的一种文件结构，除了本文所说的波形格式数据(.wav)，采用RIFF格式结构的文件还有音频视频交错格式(.avi)、位图格式(.rdi)、MIDI格式(.rmi)、调色板格式(.pal)、多媒体电影(.rmn)、动画光标(.ani)。
RIFF结构的基本单元为chunk，它的结构如下：
struct chunk {
unsignedint id; /* 块标志 */
unsignedint size; /* 块大小 */
unsigned chardata[size]; /* 块内容 */
}
Id为4个ascii字符组成，用来识别块中所包含的数据，如”RIFF”、”WAV ”、”data”、”fmt ”等；size是存储在data域中数据的长度，不包括id与size域的大小；data[size]为该块保存的数据，以字为单位排列。
wav音频文件作为RIFF结构，其由若干个chunk组成，按照在文件中的位置包括：RIFF chunk，fmt chunk，fact chunk(可选)，data chunk。所有RIFF结构文件均会首先包含RIFF chunk，并指明RIFF类型，此处为”WAVE”。对于wav文件，在fmt chunk中指明音频文件的信息，例如采样位数、采样频率、声道数、编码方式等。对于压缩型wav音频，还会有一个fact chunk，用以指明解压后音频数据的大小，对于PCM非压缩wav文件，并没有该chunk。音频数据保存在data chunk中，根据fmt chunk中指明的声道数以及采样位数，wav音频数据存放形式有不同的方式。
一个PCM格式的wav结构定义Wav.h如下：
#ifndef __WAV_H__
#define __WAV_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
//资源互换文件格式RIFF，树状结构，基本单位是chunk，整个文件由chunk构成
typedef struct RIFF_HEADER {
char Riff_ID[4];
unsigned int Riff_Size;//记录整个RIFF文件的大小，除ID和Size这两个变量
char Riff_Format[4];
} RIFF_HEADER;
typedef struct WAVE_FORMAT {
unsigned short FormatTag; //声音的格式代号
unsigned short Channels; //声音通道
unsigned int SamplesPerSec; //采样率
unsigned int AvgBytesPerSec; //=采样率*区块对其单位
unsigned short BlockAlign; //区块对其单位=每个取样所需位数*声音通道/8
unsigned short BitsPerSample; //每个取样所需位数
} WAVE_FORMAT;
typedef struct FMT_CHUNK {
char Fmt_ID[4];
unsigned int Fmt_Size;//记录fmt的大小
WAVE_FORMAT WaveFormat;
} FMT_CHUNK;
typedef struct DATA_CHUNK {
char Data_ID[4];
unsigned int Data_Size;//记录data区的大小
} DATA_CHUNK;
typedef struct WAVE_HEADER {
RIFF_HEADER RiffHeader;
FMT_CHUNK FmtChunk;
DATA_CHUNK DataChunk;
} WAVE_HEADER;
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /*__WAV_H__*/
根据以上的wav结构定义，一个录音文件的wav文件头可如下定义：
static WAVE_HEADER RecorderWaveHeader = {
'R', 'I', 'F', 'F',
sizeof(WAVE_HEADER) - 8,//整个wave文件大小,初始化值
'W', 'A', 'V', 'E',
'f', 'm', 't', ' ',
sizeof(FMT_CHUNK) - 8,
1,//编码方式，线性PCM编码
1,//单声道
10000,//采样率为10k
20000,//每个采样2个字节
2,//每个采样2个字节
16,//每个采样需16位
'd', 'a', 't', 'a',
0, //data长度初始化为0
};
2. wav音频文件的播放或录音
sd卡由于其可插拔、灵活性好，通常应用于设备的扩展存储应用。计算机上wav音频等文件可轻易地拷贝到fat32格式的sd卡上，在嵌入式系统中要使用sd卡，首先需实现sd卡驱动，这在前面的章节有详细的介绍，此处不再详述。fat32文件的读写还需要相应文件系统的接口支持，此处选用Fatfs，对于不同的嵌入式系统，这是需要移植的部分，关于s3c2416下Fatfs文件系统的移植在前面章节有详细的介绍，此处不再详述。从wav文件读出音频数据后(播放)，还需要把音频数据传输给声卡，声卡还原出声音模拟信号，即可听到声音。音频数据的处理需要用到音频编解码器，数据的传输也有一定的音频总线要求，因此还需要音频驱动的实现，这部分在前面的章节有详细的介绍，此处不再详述。
3. 应用实例
工程中利用串口对耳机音量进行加大、调小，对Mic录音进行灵敏度的调节，通过串口输入进行播放wav音频或开始录音。播放时实时显示播放进度并可按下’s’后停止播放，录音时实时显示录音wav文件的大小并可按下’s’后停止录音。
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,//整个wave文件大小
'W', 'A', 'V', 'E',
'f', 'm', 't', ' ',
sizeof(FMT_CHUNK) - 8,
1,//编码方式，线性PCM编码
1,//单声道
10000,//采样率为10k
20000,//每个采样2个字节
2,//每个采样2个字节
16,//每个采样需16位
'd', 'a', 't', 'a',
0, //data长度初始化为0
};
// 音频数据缓存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(); // 串口初始化
IIC_Init(); //IIC初始化,音频芯片控制
IIS_Init(); // IIS音频接口初始化
WM8960_Init(); // 音频编解码器初始化
RTC_GetTime(&Time); // 显示RTC时间
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; // 进入播放test.wav状态
while(1) {
switch (State) {
case 0: // 操作选择
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) {
// 等待串口选择操作,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; // 转到开始播放wav状态
break;
case '1': // 播放录音wav
for (i=0; i<sizeof(Path2);i++) {
FilePath[i] = Path2[i];
}
State = 1; // 转到开始播放wav状态
break;
case '2':
State = 3; // 转到开始录音状态
break;
case '3': // Mic灵敏度增加
VolumeLevel = WM8960_RecorderVolume(VolumeUp);
Uart0_Printf("Recordervolume %d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
case '4': // Mic灵敏度减小
VolumeLevel =WM8960_RecorderVolume(VolumeDown);
Uart0_Printf("Recorder volume%d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
case '5': // 耳机音量增加
VolumeLevel =WM8960_HeadphoneVolume(VolumeUp);
Uart0_Printf("Player volume%d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
case '6': // 耳机音量降低
VolumeLevel =WM8960_HeadphoneVolume(VolumeDown);
Uart0_Printf("Player volume%d%%\r\n", VolumeLevel);
break;
default:
break;
}
}
Uart0_SendString("\r\n");
break;
case 1: // 开始播放音频
// 打开wav音频文件
Res = f_open(&file, FilePath, FA_READ | FA_OPEN_EXISTING);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Open %s failed\r\n",FilePath);
State = 0; // 进入到操作选择界面
} else {
// 读取wav音频文件头,获得音频采样率,位数,声道数信息
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; // 进入到操作选择界面
} else {
// 读取一小段音频数据到缓存中
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; // 进入到操作选择界面
} else {
if (ByteRead <sizeof(AudioBuffer)) { // 文件到结尾
// 已播放到文件的结尾,重定位到音频文件的开始
Res = f_lseek(&file,sizeof(WAVE_HEADER));
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("f_lseek error\r\n");
f_close(&file);
State= 0; // 进入到操作选择界面
break;
}
}
// 根据wav文件头的音频信息初始化音频驱动的播放参数
IIS_TxInit(WaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.SamplesPerSec,
WaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.BitsPerSample,
WaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.Channels);
// wav文件的总文件大小,bytes计
TotalSize =WaveHeader.RiffHeader.Riff_Size;
pData = AudioBuffer; // 播放指向音频缓存区
// 把pData指向的数据写入音频缓存,最大允许写入
// ByteRead字节,返回实际写入到音频缓存的字节数
BufferLen = IIS_WriteBuffer(pData,ByteRead);
ByteRead -= BufferLen; // 数据剩余字节数
pData += BufferLen; // 数据下一次开始写入的位置
Size = BufferLen; // 播放的长度
AudioSize = 0; // 已播放的音频长度
WM8960_HeadphoneStart(); // 打开耳机播放通道
IIS_TxStart(); // IIS开始传输音频播放
State= 2; // 转入正在播放音频状态
Uart0_SendString("PlayingMusic, press 's' to stop"
"playing at any time\r\n");
Uart0_SendString("Playbackprogress: 00.0%");
}
}
}
break;
case 2:// 正在播放音频
if (ByteRead > 0) {
// 返回值的高8位不为0,说明低8位键值有效,查询是否有串口输入,非阻塞
Command = Uart0_Peek();
if (Command & (0xff<<8)) {// 有按键按下
if ((Command & 0xff) == 's'){ // 按下了's'
f_close(&file);
State = 0; // 返回到操作选择界面
break;
}
}
if (Size > 20*1024) { // 播放了20k大小的音频数据
AudioSize += (Size>>10);// 累计己播放的总音频数据大小(KB)
Size = 0;
Uart0_SendString("\b\b\b\b\b");
// 显示播放进度的百分比
Uart0_Printf("%02d.%d%%",(AudioSize*100)/(TotalSize>>10),
((AudioSize*100)%(TotalSize>>10))*10/(TotalSize>>10));
}
// 连续写入音频数据到音频缓存中,实现连续播放
BufferLen = IIS_WriteBuffer(pData,ByteRead);
ByteRead -= BufferLen; // 数据剩余字节数
pData += BufferLen; // 数据下一次开始写入的位置
Size += BufferLen;
} else { // 播放完缓存中的音频数据,再从sd卡加载下一段音频数据
// 一段音频数据播放完后,从sd卡中加载下一段数据
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; // 进入到操作选择界面
} else {
pData = AudioBuffer; // 重定位到数据首位置
if (ByteRead <sizeof(AudioBuffer)) {
// 到文件结尾,文件重定位到开头,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; // 进入到操作选择界面
}
}
}
}
break;
case 3: // 开始录音
// 创建录音保存1.wav文件
Res = f_open(&file, "1.wav",FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
if (Res != RES_OK) {
Uart0_Printf("Create 1.wavfailed\r\n");
State = 0; // 进入到操作选择界面
} else {
// 写入wav文件头
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; // 进入到操作选择界面
} else {
// 初始化录音参数,采样率,采样位数,声道数
IIS_RxInit(RecorderWaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.SamplesPerSec,
RecorderWaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.BitsPerSample,
RecorderWaveHeader.FmtChunk.WaveFormat.Channels);
Size = 0;
AudioSize = 0; // 总录音文件大小初始化0
pData = AudioBuffer; // 指向录音缓存区
ByteWrite = sizeof(AudioBuffer);// 一段音频缓存的大小
WM8960_RecorderStart(); //WM8960打开录音通道
IIS_RxStart(); // IIS开始接收录音数据
State = 4; // 转到正在录音状态
Uart0_SendString("Recording,press 's' to stop recording"
"at any time\r\n");
Uart0_SendString("Recording(KB): ");
}
}
break;
case 4:// 正在录音
if (ByteWrite > 0) {
// 返回值的高8位不为0,说明低8位键值有效,查询是否有串口输入,非阻塞
Command = Uart0_Peek();
if (Command & (0xff<<8)) {// 有按键按下
if ((Command & 0xff) == 's'){ // 按下了's'
// 停止录音,更改wav文件头文件大小
f_lseek(&file, 0); // 定位到文件头
// 数据大小改为录音的音频大小
RecorderWaveHeader.DataChunk.Data_Size= AudioSize;
// RIFF大小改为整个文件文件的大小
RecorderWaveHeader.RiffHeader.Riff_Size=
(sizeof(WAVE_HEADER)-8) + AudioSize;
// 更改wav文件头信息
f_write(&file, (unsignedchar *)&RecorderWaveHeader,
sizeof(WAVE_HEADER),(unsigned int *)&ByteWrite);
f_close(&file);
State = 0; // 进入到操作选择界面
break;
}
}
if (Size > 20*1024) { // 记录了20k大小的音频数据
AudioSize += Size; // 累计己播放的总音频数据大小
Size = 0;
Uart0_SendString("\b\b\b\b\b\b");
// 显示已录音的文件大小
Uart0_Printf("%6d",(AudioSize>>10));
}
// 从音频缓存中读取录音数据到pData中,最大允许读取ByteWrite
// 字节大小,返回实际从音频缓存中读取的字节数
BufferLen = IIS_ReadBuffer(pData,ByteWrite);
ByteWrite -= BufferLen; // 剩余内存空间字节数
pData += BufferLen; // 下一位读开始存入的内存位置
Size += BufferLen;
} else { // 缓存已满,写入缓存数据到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; // 进入到操作选择界面
} else {
pData = AudioBuffer;
ByteWrite = sizeof(AudioBuffer);
}
}
break;
default:
break;
}
}
}
4. 附录
通过Fatfs的api函数，可以轻易读写windows下常见格式文件，这和windows/Linux下操作文件差异不大。播放对wav音频文件无特殊要求，可任意采样率、采样位数、单/双声道，插上耳机即能听到声音，录制wav音频对采样率、采样位数、声道数、录制长度等均没有任何限制，录制好的wav音频文件可直接在计算机上播放。虽然wav格式音频文件较占用存储空间，但其是无损的，音质在相同码率下远好于mp3等有损压缩音频文件。
Wav_GCC.rar，GCC下wav音频文件播放与录制工程，可直接make。
http://pan.baidu.com/s/1c05s2cg
Wav_MDK.rar，MDK下wav音频文件播放与录制工程
http://pan.baidu.com/s/1i33guiD
test.wav，wav播放测试音频文件，11.025k采样率、16位、单声道音乐，可通过音频格式转换软件生成wav音频文件。
http://pan.baidu.com/s/1eQzOErg