基于I2S的USB聲卡系統設計

近年來USB產品層出不窮,USB音頻類在USB開發者論壇的努力下,成為一種標準的規范,USB聲卡也開始在市場上悄然出現。因為USB聲卡內置了DAC和有源功放,音頻數據以數字方式進入USB聲卡,完全杜絕了PC的內部干擾,所以,USB聲卡將有可能成為現有內置聲卡的替代品。本文介紹了一種基于ARM處理器的USB聲卡設計。

??? USB聲卡原理

??? 由USB聲卡數據流圖(見圖1)可以看出USB聲卡的工作原理。在主機端播放音樂時,應用軟件或驅動程序把各類音頻信號轉換為統一的格式,如PCM、MPEG等格式的數據流,通過主機的IJSB接口發送給USB聲卡。聲卡的USB接口接收到數據后,通過I2S接口把并行音頻數據轉為串行,再發送給音頻編解碼芯片進行D／A轉換,即可在音頻芯片連接的揚聲器中發音。錄音過程和播放過程正好相反。

??? 硬件設計

??? 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內置I2S總線控制器和USB Slaver控制器。S3C2410的I2S控制器實現了一個外部8門6位立體聲音頻CODECIC的接口,支持FS總線數據格式和MSB-justifled數據格式,并且支持DMA傳輸模式。

??? 音頻芯片采用UDA1341TS。UDAl34lTS提供標準的I2S接口,可以直接和S3C2410的12S引腳連接。另外,此芯片還提供標準的L3、麥克風和揚聲器接口。L3接口的引腳分別連到S3C2410的3個GPIO輸出引腳上,通過GPIO控制L3接口。UDAl341TS音頻芯片集成數字化音頻和混頻器功能。數字化音頻功能可以播放數字化聲音或錄制聲音,因為包括這個功能,所以常把此類芯片稱為CODEC設備。混頻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接口進行控制。

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??? 軟件設計

??? 軟件設計包括兩部分：USB聲卡固件程序設計和主機端Windows驅動設計。因為USB音頻類設備是一種標準設備,在Windows操作系統上有標準的USB音頻驅動,所以只需要開發者根據USB音頻類的協議開發固件程序。

??? 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,第二部分實現I2S接口數據傳輸以及數據流的緩沖區控制等。

??? 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USB音頻類協議,并結合需要實現的USB聲卡功能,確定出USB聲卡的拓撲圖(見圖2),然后再根據拓撲圖和USB音頻類描述符的協議,寫出USB聲卡的描述符。

??? USB聲卡的描述符包括5部分,分別為設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符和字符串描述符。接口描述符是其中的難點。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據流(AudioStreaming)接口描述符。

??? 1．USB音頻控制接口描述符。根據USB聲卡的拓撲圖所示,當聲卡用于回放功能時,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聲卡發送的音頻數據流,OT3表示的是發向DAC的數據流,在IT1和OT3之間的Feature單元用于調節音量和音效功能等。當聲卡執行錄音功能時,USB的功能拓撲通過IT2,OT4表示,IT2表示A／D采樣的音頻數據流,OT4表示的是通過USB接口發向PC的數據流。USB音頻控制接口的數據傳輸一般使用默認端點0。

??? 在USB聲卡的拓撲圖中,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操作系統下,控制面板中的聲音和音頻設備的一些功能才能使用。那么在Windows中進行調節音量等控制時,就會觸發固件程序對UDAl341TS芯片L3接口的控制。

??? 2．USB音頻數據流接幾描述符。因為USB音頻有回放和錄音兩種功能,所以需要兩個同步數據流接口,兩個接口使用雙向端點l進行數據傳輸。

??? 通過USB聲卡的拓撲圖,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通訊的程序實現

??? S3C2410有5個雙向FIFO端點,其中0端點是控制傳輸端點,其他4個端點支持批量、中斷、同步傳輸等方式。在本系統中使用0、l兩個雙向傳輸端點。端點0執行控制傳輸(C0NTROL), 一方面傳輸USB協議的控制信息,例如Setup事件、握手信號、枚舉信息等,另一方面傳輸音頻控制信息,例如采樣率控制、音量控制等。端點l采用同步傳輸方式(IS(OCHRON0US),傳輸時間間隔為lms,用于實時傳遞主機和I2S之間的錄音或放音數據。

??? 根據USB協議,USB設備的任何數據傳輸,都由USB主機分配,然后USB設備響應相應的USB主機總線請求。S3C2410的USB控制器采用的是中斷方式響應,那么在S3C2410的USB中斷服務程序中要作以下工作：

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??? USB聲卡的控制傳輸

??? 在主機端應用程序中,執行音量調節、靜音等事件時,USB音頻驅動通過默認端點O執行一個控制傳輸。一次控制傳輸主要包括兩個步驟,第一步,由主機向設備發送一個建立(Setup)信息,描述控制訪問的類型,設備將執行此控制訪問。第二步,零個或多個控制數據信息的傳送,這是訪問的具體信息。根據USB音頻類協議分解控制信息包,然后再根據控制信息,執行相應的操作。例如,在主機端應用程序中播放音樂前,USB聲卡就會從主機端收到如下的兩個包：

??? Setup包 22 0l 00 01 0l
??? 00 03 00
??? 控制數據包40 lF00

??? 根據USB音頻類協議分解Setup包,可以得知,本次控制傳輸的作用是設置USB聲卡的采樣頻率,并且收到的3字節控制數據信息是采樣頻率,即8KHz,,那么在播放音樂前,必須把l。s和UDAl34lTS芯片的采樣頻率設置為8kHz,才能和主機端保持同步。

??? I2S總線實現方法

??? 在S3C2410芯片中,I2S接口提供三種數據傳輸模式：正常傳輸模式、DMA傳輸模式、傳輸／接收模式。本系統采用的是傳輸／接收模式,它具有雙通道DMA功能,一方面竊取總線控制權,提高系統的吞吐能力,另一方面,可以實現同時接收和發送音頻數據,即全雙工模式。
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??? 在S3C2410芯片中,有4個DMA通道控制器用于控制各種外部設備,其中I2S與其他串行外設共用兩個橋接DMA(BDMA)類型的DMA通道。通過設置I2SFCON寄存器可以使I2S接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器組的控制權掌握在DMA控制器上。當FIFO滿時,由DMA控制器對FIFO中的數據進行處理。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進行,即實現全雙工,數據傳輸使用兩個BDMA通道,通道0用于回放,通道l用于錄音,因為S3C2410的BDMA中沒有內置DMA存儲區域,所以需要在SDRAM中分配DMA緩沖區。音頻數據回放時,先由USB總線取得音頻數據,寫入DMA緩沖區,由BDMA控制器通道0竊取總線控制權,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,其數據流過程和回放相反。

??? 由于處理的音頻數據量比較大,并且PC端接收／發送數據的速度和I2S處理數據的速度不能完全匹配,這就導致了放音失真或者錄音丟幀的現象。為了解決這個問題,最簡單易行的方法是使用比較大的環形緩存。但實際上大的緩存區需要更長的填充時間,在使用時會出現延時。為了解決延時的問題,使用環形、多段緩存機制。在這種機制下,將緩存區分割成若干個相同大小的塊,并使用算法實現環形緩沖。下面以8kKHz／16位／單通道音頻流的播放為例說明緩沖區的操作。

??? USB音頻類規定的USB同步傳輸周期為lms,即對于8kHz／16位,單通道PCM編碼的音頻流,每隔1ms,USB設備就會收到一次主機傳來的數據,數據包大小為16字節,為了盡量保持FS和USB傳輸同步,可以取16字節作為一個緩存區段的大小。當USB聲卡接收到數據后,MCU先判斷緩沖區中是否有空閑區域,如果沒有足夠緩沖區就跳過一個樣本,然后再逐一把F1FO中的數據復制到SDRAM的緩沖區。

??? 因為I2S的DMA控制器處理數據是按段進行,每段長度為16字節,在DMA取數據前,先判斷緩沖區中的數據量,如果沒有足夠數據(16字節),則加入靜音數據,然后再執行DMA傳輸。

??? 結語

??? 本文所闡述的基于I2S總線的USB聲卡,已經在基于S3C2410處理器的開發板上成功實現,不過只是實現了USB聲卡的最基本功能。可以嘗試把MP4、U盤等和USB聲卡集成在一體,會更有應用價值。