基于I2S的USB聲卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來USB產(chǎn)品層出不窮,USB音頻類在USB開發(fā)者論壇的努力下,成為一種標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范,USB聲卡也開始在市場(chǎng)上悄然出現(xiàn)。因?yàn)閁SB聲卡內(nèi)置了DAC和有源功放,音頻數(shù)據(jù)以數(shù)字方式進(jìn)入U(xiǎn)SB聲卡,完全杜絕了PC的內(nèi)部干擾,所以,USB聲卡將有可能成為現(xiàn)有內(nèi)置聲卡的替代品。本文介紹了一種基于ARM處理器的USB聲卡設(shè)計(jì)。

??? USB聲卡原理

??? 由USB聲卡數(shù)據(jù)流圖(見圖1)可以看出USB聲卡的工作原理。在主機(jī)端播放音樂時(shí),應(yīng)用軟件或驅(qū)動(dòng)程序把各類音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式,如PCM、MPEG等格式的數(shù)據(jù)流,通過主機(jī)的IJSB接口發(fā)送給USB聲卡。聲卡的USB接口接收到數(shù)據(jù)后,通過I2S接口把并行音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行,再發(fā)送給音頻編解碼芯片進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換,即可在音頻芯片連接的揚(yáng)聲器中發(fā)音。錄音過程和播放過程正好相反。

??? 硬件設(shè)計(jì)

??? USB聲卡硬件主要包括MCU和音頻編解碼芯片。MCU采用三星公司的處理器S3C2410,S3C2410內(nèi)置I2S總線控制器和USB Slaver控制器。S3C2410的I2S控制器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)外部8門6位立體聲音頻CODECIC的接口,支持FS總線數(shù)據(jù)格式和MSB-justifled數(shù)據(jù)格式,并且支持DMA傳輸模式。

??? 音頻芯片采用UDA1341TS。UDAl34lTS提供標(biāo)準(zhǔn)的I2S接口,可以直接和S3C2410的12S引腳連接。另外,此芯片還提供標(biāo)準(zhǔn)的L3、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器接口。L3接口的引腳分別連到S3C2410的3個(gè)GPIO輸出引腳上,通過GPIO控制L3接口。UDAl341TS音頻芯片集成數(shù)字化音頻和混頻器功能。數(shù)字化音頻功能可以播放數(shù)字化聲音或錄制聲音,因?yàn)榘ㄟ@個(gè)功能,所以常把此類芯片稱為CODEC設(shè)備?；祛l器用來控制各種輸入／輸出的音量大小等,在本芯片中通過L3接口進(jìn)行控制。

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??? 軟件設(shè)計(jì)

??? 軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：USB聲卡固件程序設(shè)計(jì)和主機(jī)端Windows驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。因?yàn)閁SB音頻類設(shè)備是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,在Windows操作系統(tǒng)上有標(biāo)準(zhǔn)的USB音頻驅(qū)動(dòng),所以只需要開發(fā)者根據(jù)USB音頻類的協(xié)議開發(fā)固件程序。

??? USB聲卡的固件程序主要包括兩部分,第一部分主要是USB通訊,第二部分實(shí)現(xiàn)I2S接口數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)流的緩沖區(qū)控制等。

??? USB通訊

??? USB聲卡描述符

??? 為廠有效地定義出USB聲卡的描述符,可先根據(jù)USB音頻類協(xié)議,并結(jié)合需要實(shí)現(xiàn)的USB聲卡功能,確定出USB聲卡的拓?fù)鋱D(見圖2),然后再根據(jù)拓?fù)鋱D和USB音頻類描述符的協(xié)議,寫出USB聲卡的描述符。

??? USB聲卡的描述符包括5部分,分別為設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符和字符串描述符。接口描述符是其中的難點(diǎn)。USB聲卡的接口描述符包括兩部分：音頻控制(AudioC2OntrOl)接口描述符和音頻數(shù)據(jù)流(AudioStreaming)接口描述符。

??? 1．USB音頻控制接口描述符。根據(jù)USB聲卡的拓?fù)鋱D所示,當(dāng)聲卡用于回放功能時(shí),其聲卡功能的控制流程,通過IT1(Input Teminal),0T3(Out Teminal)和Feature單元表示,ITl表示的是PC向USB聲卡發(fā)送的音頻數(shù)據(jù)流,OT3表示的是發(fā)向DAC的數(shù)據(jù)流,在IT1和OT3之間的Feature單元用于調(diào)節(jié)音量和音效功能等。當(dāng)聲卡執(zhí)行錄音功能時(shí),USB的功能拓?fù)渫ㄟ^IT2,OT4表示,IT2表示A／D采樣的音頻數(shù)據(jù)流,OT4表示的是通過USB接口發(fā)向PC的數(shù)據(jù)流。USB音頻控制接口的數(shù)據(jù)傳輸一般使用默認(rèn)端點(diǎn)0。

??? 在USB聲卡的拓?fù)鋱D中,F表示的是USB音頻類的Feature單元,Feature單元的主要作用是控制音量、靜音、低音等。如果在描述符中聲明了Feature單元,在Windows操作系統(tǒng)下,控制面板中的聲音和音頻設(shè)備的一些功能才能使用。那么在Windows中進(jìn)行調(diào)節(jié)音量等控制時(shí),就會(huì)觸發(fā)固件程序?qū)DAl341TS芯片L3接口的控制。

??? 2．USB音頻數(shù)據(jù)流接幾描述符。因?yàn)閁SB音頻有回放和錄音兩種功能,所以需要兩個(gè)同步數(shù)據(jù)流接口,兩個(gè)接口使用雙向端點(diǎn)l進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

??? 通過USB聲卡的拓?fù)鋱D,可以分析出音頻接口的流程和功能,從而得出USB聲卡的描述符。

??? USB通訊的程序?qū)崿F(xiàn)

??? S3C2410有5個(gè)雙向FIFO端點(diǎn),其中0端點(diǎn)是控制傳輸端點(diǎn),其他4個(gè)端點(diǎn)支持批量、中斷、同步傳輸?shù)确绞?。在本系統(tǒng)中使用0、l兩個(gè)雙向傳輸端點(diǎn)。端點(diǎn)0執(zhí)行控制傳輸(C0NTROL), 一方面?zhèn)鬏擴(kuò)SB協(xié)議的控制信息,例如Setup事件、握手信號(hào)、枚舉信息等,另一方面?zhèn)鬏斠纛l控制信息,例如采樣率控制、音量控制等。端點(diǎn)l采用同步傳輸方式(IS(OCHRON0US),傳輸時(shí)間間隔為lms,用于實(shí)時(shí)傳遞主機(jī)和I2S之間的錄音或放音數(shù)據(jù)。

??? 根據(jù)USB協(xié)議,USB設(shè)備的任何數(shù)據(jù)傳輸,都由USB主機(jī)分配,然后USB設(shè)備響應(yīng)相應(yīng)的USB主機(jī)總線請(qǐng)求。S3C2410的USB控制器采用的是中斷方式響應(yīng),那么在S3C2410的USB中斷服務(wù)程序中要作以下工作：

???

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??? USB聲卡的控制傳輸

??? 在主機(jī)端應(yīng)用程序中,執(zhí)行音量調(diào)節(jié)、靜音等事件時(shí),USB音頻驅(qū)動(dòng)通過默認(rèn)端點(diǎn)O執(zhí)行一個(gè)控制傳輸。一次控制傳輸主要包括兩個(gè)步驟,第一步,由主機(jī)向設(shè)備發(fā)送一個(gè)建立(Setup)信息,描述控制訪問的類型,設(shè)備將執(zhí)行此控制訪問。第二步,零個(gè)或多個(gè)控制數(shù)據(jù)信息的傳送,這是訪問的具體信息。根據(jù)USB音頻類協(xié)議分解控制信息包,然后再根據(jù)控制信息,執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如,在主機(jī)端應(yīng)用程序中播放音樂前,USB聲卡就會(huì)從主機(jī)端收到如下的兩個(gè)包：

??? Setup包 22 0l 00 01 0l
??? 00 03 00
??? 控制數(shù)據(jù)包40 lF00

??? 根據(jù)USB音頻類協(xié)議分解Setup包,可以得知,本次控制傳輸?shù)淖饔檬窃O(shè)置USB聲卡的采樣頻率,并且收到的3字節(jié)控制數(shù)據(jù)信息是采樣頻率,即8KHz,,那么在播放音樂前,必須把l。s和UDAl34lTS芯片的采樣頻率設(shè)置為8kHz,才能和主機(jī)端保持同步。

??? I2S總線實(shí)現(xiàn)方法

??? 在S3C2410芯片中,I2S接口提供三種數(shù)據(jù)傳輸模式：正常傳輸模式、DMA傳輸模式、傳輸／接收模式。本系統(tǒng)采用的是傳輸／接收模式,它具有雙通道DMA功能,一方面竊取總線控制權(quán),提高系統(tǒng)的吞吐能力,另一方面,可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù),即全雙工模式。
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??? 在S3C2410芯片中,有4個(gè)DMA通道控制器用于控制各種外部設(shè)備,其中I2S與其他串行外設(shè)共用兩個(gè)橋接DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設(shè)置I2SFCON寄存器可以使I2S接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權(quán)掌握在DMA控制器上。當(dāng)FIFO滿時(shí),由DMA控制器對(duì)FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DMA模式的選擇由I2SCON寄存器的第四和第五位控制。

??? 為了使USB聲卡的回放和錄音可以同時(shí)進(jìn)行,即實(shí)現(xiàn)全雙工,數(shù)據(jù)傳輸使用兩個(gè)BDMA通道,通道0用于回放,通道l用于錄音,因?yàn)镾3C2410的BDMA中沒有內(nèi)置DMA存儲(chǔ)區(qū)域,所以需要在SDRAM中分配DMA緩沖區(qū)。音頻數(shù)據(jù)回放時(shí),先由USB總線取得音頻數(shù)據(jù),寫入DMA緩沖區(qū),由BDMA控制器通道0竊取總線控制權(quán),通過I2S控制器寫入I2S總線并傳輸給音頻芯片。錄音采用BDMA控制器的通道1,其數(shù)據(jù)流過程和回放相反。

??? 由于處理的音頻數(shù)據(jù)量比較大,并且PC端接收／發(fā)送數(shù)據(jù)的速度和I2S處理數(shù)據(jù)的速度不能完全匹配,這就導(dǎo)致了放音失真或者錄音丟幀的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題,最簡(jiǎn)單易行的方法是使用比較大的環(huán)形緩存。但實(shí)際上大的緩存區(qū)需要更長(zhǎng)的填充時(shí)間,在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)。為了解決延時(shí)的問題,使用環(huán)形、多段緩存機(jī)制。在這種機(jī)制下,將緩存區(qū)分割成若干個(gè)相同大小的塊,并使用算法實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖。下面以8kKHz／16位／單通道音頻流的播放為例說明緩沖區(qū)的操作。

??? USB音頻類規(guī)定的USB同步傳輸周期為lms,即對(duì)于8kHz／16位,單通道PCM編碼的音頻流,每隔1ms,USB設(shè)備就會(huì)收到一次主機(jī)傳來的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包大小為16字節(jié),為了盡量保持FS和USB傳輸同步,可以取16字節(jié)作為一個(gè)緩存區(qū)段的大小。當(dāng)USB聲卡接收到數(shù)據(jù)后,MCU先判斷緩沖區(qū)中是否有空閑區(qū)域,如果沒有足夠緩沖區(qū)就跳過一個(gè)樣本,然后再逐一把F1FO中的數(shù)據(jù)復(fù)制到SDRAM的緩沖區(qū)。

??? 因?yàn)镮2S的DMA控制器處理數(shù)據(jù)是按段進(jìn)行,每段長(zhǎng)度為16字節(jié),在DMA取數(shù)據(jù)前,先判斷緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)量,如果沒有足夠數(shù)據(jù)(16字節(jié)),則加入靜音數(shù)據(jù),然后再執(zhí)行DMA傳輸。

??? 結(jié)語(yǔ)

??? 本文所闡述的基于I2S總線的USB聲卡,已經(jīng)在基于S3C2410處理器的開發(fā)板上成功實(shí)現(xiàn),不過只是實(shí)現(xiàn)了USB聲卡的最基本功能?？梢試L試把MP4、U盤等和USB聲卡集成在一體,會(huì)更有應(yīng)用價(jià)值。