一套數字音頻采集、播放和傳輸系統的實現

TLV320AIC23簡介

TLV320AIC23（以下簡稱AIC23）是TI推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片，內置耳機輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式（二選一），且對輸入和輸出都具有可編程增益調節。AIC23的模數轉換（ADCs）和數模轉換（DACs）部件高度集成在芯片內部，采用了先進的Sigma－delta過采樣技術，可以在8K到96K的頻率范圍內提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達到90dB和100dB。與此同時，AIC23還具有很低的能耗，回放模式下功率僅為23mW，省電模式下更是小于15uW。由于具有上述優點，使得AIC23是一款非常理想的音頻模擬I/O器件，可以很好的應用在隨聲聽（如CD，MP3……）、錄音機等數字音頻領域。

AIC23的管腳和內部結構框圖如下：

從上圖可以看出，AIC23主要的外圍接口分為以下幾個部分：

一． 數字音頻接口：主要管腳為
BCLK－數字音頻接口時鐘信號（bit時鐘），當AIC23為從模式時（通常情況），該時鐘由DSP產生；AIC23為主模式時，該時鐘由AIC23產生；
LRCIN－數字音頻接口DAC方向的幀信號（I2S模式下word時鐘）
LRCOUT－數字音頻接口ADC方向的幀信號
DIN－數字音頻接口DAC方向的數據輸入
DOUT－數字音頻接口ADC方向的數據輸出
這部分可以和DSP的McBSP（Multi-channel buffered serial port，多通道緩存串口）無縫連接，唯一要注意的地方是McBSP的接收時鐘和AIC23的BCLK都由McBSP的發送時鐘提供，連接示意圖如下：

二． 麥克風輸入接口：主要管腳為
MICBIAS－提供麥克風偏壓，通常是3/4 AVDD
MICIN－麥克風輸入，由AIC結構框圖可以看出放大器默認是5倍增益
連接示意圖如下：

三． LINE IN輸入接口：主要管腳為
LLINEIN－左聲道LINE IN輸入
RLINEIN－右聲道LINE IN輸入
連接示意圖如下：

四． 耳機輸出接口：主要管腳為
LHPOUT－左聲道耳機放大輸出
RHPOUT－右聲道耳機放大輸出
LOUT－左聲道輸出
ROUT－右聲道輸出
從框圖可以看出，LOUT和ROUT沒有經過內部放大器，所以設計中常用LHPOUT和RHPOUT，連接示意圖如下：

五． 配置接口：主要管腳為
SDIN－配置數據輸入
SCLK－配置時鐘
DSP通過該部分配置AIC23的內部寄存器，每個word的前7bit為寄存器地址，后9bit為寄存器內容。具體方法和寄存器具體內容見后。

六． 其他：主要管腳為
MCLK－芯片時鐘輸入(12.288M、11.2896M、18.432M、16.9344M)
VMID－半壓輸入，通常由一個10U和一個0.1U電容并聯接地
MODE－芯片工作模式選擇，Master或者Slave
CS－片選信號（配置時有效）
CLKOUT－時鐘輸出，可以為MCLK或者MCLK/2（詳見寄存器配置）

DSP與AIC23的連接

設計中DSP采用了TI的C5409，這是一款性價比高，外設資源豐富，耗電量低，處理能力強的16位DSP，在實際應用中較為流行。

C5409有三組可通過寄存器靈活配置的McBSP同步串口，與AIC23的連接主要使用這些串口。

一． 與AIC23數字音頻接口的連接
AIC23的數字音頻接口支持I2S模式（一種通用的音頻格式），也支持DSP Mode模式（專為與TI的DSP連接模式）。兩種模式的時序如下圖：

I2S模式

DSP Mode模式

DSP與AIC23的連接可以采用I2S模式也可以采用DSP模式，區別僅在于DSP的McBSP幀信號的寬度。前者的幀信號寬度必須為一個字（16bit）長，而后者的幀寬度可以為一個bit長，比如在字長16bit（即左右聲道的采樣各為16bit），幀長為32bit的情況下，如果采用I2S，幀信號寬度應為16bit；而采用DSP Mode幀信號寬度1bit即可。

為了與AIC23通信，DSP的串口時鐘也應該正確的設置。DSP的McBSP時鐘為了減少外圍電路通常都選擇由內部CPU時鐘分頻得到，比如在AIC23采樣速率為8K的情況下，McBSP串口時鐘應為8×32＝256K，這時，DSP工作時鐘/256K＝需要設置的分頻因子。

需要注意的是，DSP的串口分頻因子最大為0xff（256），所以如果采用內部時鐘分頻的辦法，DSP工作時鐘不能超過64M。

二．與AIC23配置接口的連接
AIC23的配置接口支持I2C模式，也支持SPI模式。通常比較簡單的辦法是利用DSP的一個McBSP用SPI模式跟AIC23連接。但是有些時候，如果DSP的McBSP串口資源比較緊張（比如需要跟近端RS－232和遠端RS－485連接），也可以通過DSP模擬I2C總線與AIC23連接。下面簡單介紹這兩種方法：

SPI時序圖如下：

這種模式的特點是只在片選信號有效時鎖存進數據。由于也是同步串口，所以通過配置McBSP為Clock Stop Mode（時鐘在幀信號有效時產生，其他時間沒有時鐘信號）可以無縫與之連接。這時，McBSP的幀信號連接SPI的CS信號，時鐘和數據信號與SPI一一對應。這種連接只需設置McBSP的寄存器，使用比較簡單可靠。

I2C時序圖如下：

C5409沒有I2C接口（TI的C5509有），但是可以利用DSP的GPIO（General Purpose Input/Output）來實現I2C時序。C5409有8個HPI（Host Port Interface）管腳可以選擇作為GPIO使用（上電時HPIENA管腳或者HPI16管腳為低），這樣我們可以利用其中的兩個管腳來作為I2C中的SCL和SDA。在I2C中SDA是雙向管腳，而DSP的GPIO的方向要通過寄存器來配置為輸入或者輸出，所以在實現I2C總線時，要經常在需要的時候變換GPIO（作為SDA的那個）的方向。對GPIO的操作是通過寄存器來完成：當設為輸出時，向寄存器寫入要輸出的值；設為輸入時，從該寄存器讀入管腳上的值。

在實現I2C總線時，還需注意下面幾點：作為SDA的那個GPIO應該接上拉電阻；AIC23只可寫不可讀；AIC23的設備地址當CS為低時是0011010b，CS為高時是0011011b。

DSP的軟件設計

DSP需要處理來自和發向AIC23的數據，從而達到采集和播放聲音。

從上面的分析我們知道，這些數據都是通過DSP的McBSP交換的。McBSP可以有三種方式跟CPU通信：每收到或發送一個單元，置標志位，CPU輪詢此標志位；每收到或發送一個單元，給CPU發送中斷；通過DMA收到或發送完一組單元，再給CPU中斷。通常，為了減輕CPU負擔，都采用第三種方法。

采用DMA的方式，即串口每發送或接受到一個單元，都會自動觸發DMA將其搬送到一個內部的Buffer，等Buffer滿了再通過中斷方式告訴CPU處理。這時DMA最好采用ABU（Auto Buffering）模式，在這種模式下，DMA會在兩個Buffer（其實是一個大Buffer的前一半和后一半）之間自動切換，每個Buffer滿了（接收）或空了（發送）都會給CPU發出中斷，在CPU處理這個Buffer的時候，DMA會自動去操作另一個Buffer。采用這種方式可以有效防止Buffer中的數據在串口速率較高時被新數據沖掉的問題。

在DMA的中斷服務程序中為了可靠可以把這個Buffer的數據再拷貝到另一個待處理的空間，即兩級Buffer，然后置標志位，CPU在主程序中查詢標志位然后作出相應的處理。DMA操作的Buffer可以通過寄存器配置，Buffer的大小和起始位置應設置正確。在指定Buffer的起始位置時應該注意，起始位置應該為大于Buffer大小的下一個2的整數冪的倍數。例如，在8K、16bit采樣的情況下，以20ms數據為Buffer大小，那么一次處理的數據是8000×32×0.02＝5120bit＝320word。所以，DMA的Buffer應為640word（兩個320word Buffer）大小，而Buffer的起始地址應該為1024=2^10>640的整數倍，如0x7000，0x7400……

DSP與異步串口間的通信

DSP與PC機交換聲音數據可以通過異步串口實現（近端RS－232或者遠端RS－485再到RS－232）。下面簡單介紹如何利用DSP的McBSP實現RS－232協議從而跟PC機的串口通信。

首先，因為McBSP和RS－232電平不同，之間需要加一個MAX232這樣的電壓轉換芯片。同時，DSP的McBSP是一個三線同步串口，而RS－232只需一根數據線（單向）即可通信，所以在實現異步串口時，首先硬件連接應該如下：

從上圖可以看出， McBSP串口的接收幀信號和接收數據線連在一起，這樣做的目的是為了利用異步幀的開始位（低有效）來給McBSP一個幀信號。顯然，這時DSP的幀信號應設置為低有效且接收延時應設置為'1'。

同步－異步轉換的基本原理就是對異步信號過采樣得到同步信號，例如一般是對異步信號的每個bit用同步信號的一個字來表示（即16個'1'－0xffff或16個'0'－0x0000）。可參看下圖（上邊為異步信號，下邊為同步信號）：

串口的發送和接收都采用DMA方式，Buffer的大小為：1＋8＋1（無校驗位，結束位長度為1）＝10word。同步－異步具體轉換在軟件上實現：

對于發送來說，較為簡單，就是對每一個Byte的每個bit用一個word（16bit）進行代替，加上開始位、結束位。然后判斷是否可以發送（通過發送完畢標志），如果可以則把這10個word放入Buffer，啟動DMA即可。在發送中斷服務程序中需要作的是停止發送DMA，并置發送完畢標志有效。

接收相對發送麻煩一些，需要對接收到的每一個字進行判斷從而恢復每一個bit，例如可以認為收到0000 1111 1111 0000b為'1'，其余為'0'。過濾掉開始位（'0'）和結束位（'1'），恢復的8個bit就合成一個Byte。這些應該在接收中斷服務程序里面做。

還有就是同步串口時鐘的選擇，一定要稍大于設計速度，比如，在跟57.6K的RS－232通信時，時鐘應該為57.6×16＝921.6K，實際配置串口分頻寄存器時應該稍大于這個速度，否則就可能由于沒有正確檢測到停止位而出現錯誤。

更詳細的同步－異步轉換設計流程跟我們的主題無關，有很多文章有具體的描述，這里就不主要討論了。

至此，一個較為完整的系統就建立了。此系統可以完成對語音或者音頻信號的采集和播放，同時通過DSP內部的壓縮算法，如g.729或者MP3傳給PC機進行儲存和傳輸。

附錄：

AIC23的內部寄存器中的一些主要設置bit：

1． LINE IN左聲道音量控制寄存器：
LIM：靜音
LIV【4：0】：音量控制

2． LINE IN右聲道音量控制寄存器：
RIM：靜音
RIV【4：0】：音量控制

3． 耳機左聲道音量控制寄存器：
LHV【6：0】：音量控制

4． 耳機右聲道音量控制寄存器：
RHV【6：0】：音量控制

5． 模擬通道控制寄存器
BYP：Bypass模式
INSEL：ADC輸入選擇，0－LINE IN、1－麥克風
MICM：麥克風靜音

6． 數字通道控制寄存器
DACM：DAC靜音
ADCHP：ADC高通濾波器開關選擇

7． 省電控制寄存器
OFF：Device Power off
CLK：Clock Power off
OSC：Oscillator Power off
OUT：Outputs Power off
DAC：DAC Power off
ADC：ADC Power off
MIC：MIC Power off
LINE：LINE IN Power off

8． 數字接口格式寄存器：
MS：工作模式Master or Slave
LRSWAP：DAC左右聲道交換
LRP：I2S模式下，LRCIN低左聲道或右聲道
?????DSP模式下，MSB在LRCIN有效后1st或者2nd BCLK沿出現
IWL【1：0】：采樣Bit長度
FOR【1：0】：DSP格式，即幀信號后跟左右聲道兩個字
I2S格式，幀信號占空比50％，高低各是左右聲道

9． 采樣率寄存器：
CLKIN：時鐘輸入選擇，0－MCLK，1－MCLK/2
CLKOUT：時鐘輸出選擇，0－MCLK，1－MCLK/2

10． 數字接口激活寄存器：
ACT：激活開關

11． Reset寄存器
RES：寫入0重啟