IIS接口的FPGA实现

 

　　在嵌入式系统中经常采用IIS(Inter-IC Sound)总线连接专用音频器件以实现音频输入输出。不少嵌入式处理器带有专用的IIS总线，通过操作特殊功能寄存器实现对外接音频器件的操作，但也有一些嵌入式处理器没有扩展IIS总线，如ARM7芯片S3C4510B。近年来，FPGA技术发展迅速，现已成为可编程片上系统(SoPC)的硬件载体。采用FPGA实现IIS总线及与总线相关的接口控制，一方面可以用硬件的方法实现IIS总线操作，使嵌入式系统很容易扩展音频功能;另一方面由于FPGA可以实现大量的组合逻辑和时序逻辑，还可以用来实现DSP算法，增加了系统的灵活性。

　　1 基本原理

　　1.1 系统方案

　　嵌入式处理器采用Samsung公司的ARM7芯片S3C4510B;音频芯片使用Philips 公司开发的UDA1341TS，这是一款适用于MiniDisc(MD)、PDA等便携式设备的高性能低功耗的经济型音频编码解码器;FPGA芯片则使用 Xilinx公司的Spartan-II 系列芯片XC2S100。系统示意图如图1。

　　

 

　　图1中FPGA负责连接S3C4510B和UDA1341TS，为此需要按照访问UDA1341TS的时序要求实现IIS总线和L3接口，同时要按照S3C4510B总线时序要求，实现按存储器方式操作的特殊功能寄存器，并将对UDA1341TS的操作转换成对特殊功能寄存器的操作。这样S3C4510B便可以直接访问FPGA实现的特殊功能寄存器，从而实现对UDA1341TS的控制。

　　1.2 IIS和UDA1341TS简介

　　IIS又称I2S， 是Philips公司提出的串行数字音频总线协议，专用于芯片间进行高速高效的音频数据传输。IIS总线只处理声音数据，其他信号必须单独传输，如控制信号。IIS总线包括3 个信号线，即1个双向数据传输线SD(Serial Data)、一个声道选择线WS(Word Select)和1个时钟线SCK(Serial Clock)。在数据传输过程中，发送端和接收端具有相同的时钟信号，发送端作为主装置(Master)时，产生位时钟信号和声道选择信号，接收端被动响应。为了实现全双工传输模式，一些IIS实现时使用了Dout和Din两个数据线。

　　UDA1341TS片内集成了立体声ADC、DAC以及模拟输入通道，其中模拟输入通道包括可编程增益放大器(PGA)、数字自动增益控制(AGC)、 数字声音处理(DSP)等。UDA1341TS的重放过程也具有可编程的DSP功能，如去加重、音量控制、低音增强、高音增强以及软件配置静音等。

　　根据串行音频数据输入输出格式和每声道字长的不同，UDA1341TS支持4种操作模式，分别是：(1)字长不超过20位的IIS总线模式;(2)字长不超过20位的最高位对齐(MSB-justified)模式;(3)字长为16、18或20位的最低位对齐(LSB-justified)模式;(4)输出采用最高位对齐，输入采用字长为16、18或20位的最低位对齐模式。其中IIS总线模式和最高位对齐模式操作时序如图2所示。二者具有相同的信号线，但左右声道控制电平和位延迟不同，对于IIS总线，声道控制电平改变后，最高位推迟一个时钟周期才发送。

　　

 

　　对UDA1341TS的所有功能控制和状态获取均通过3线串行接口L3实现。该接口包含3个信号线，分别是串行数据线L3DATA、接口模式选择线L3MODE和串行时钟线L3CLOCK。L3接口操作有两种模式，即地址模式和数据传输模式。地址模式用于选中后续操作所要访问的芯片及其内部寄存器，被地址模式选中的芯片和寄存器一直保持有效，直到UDA1341TS收到一个新的地址模式命令字节。数据传输模式用于将音频处理和系统控制参数写入UDA1341TS并可以读取回放的音频数据的峰值电平。L3MODE为低电平时操作为地址模式，高电平时操作为数据传输模式。

　　地址模式下由主器件按标准时序送出8位地址，其中高6位表示UDA1341TS芯片地址000101，最低2位选择要访问的该芯片内部寄存器，分别是DATA0、DATA1和STATUS，由此产生下面的3种寄存器操作模式。

　　(1)STATUS操作模式可以控制芯片复位、系统时钟频率、数据输入格式、DC滤波器、输入增益、输出增益、ADC和DAC极性控制、倍速播放和功率控制等。

　　(2)DATA0操作模式又分为两种：直接地址模式和扩展地址模式。数据最高2位非‘11’时为直接地址模式，在这种模式下，可以直接控制音量、低音增强、高音增强、峰值检测位置、去加重、静音等功能;数据最高2位为‘11’时为扩展地址模式，可以通过3位选择6个5位的扩展寄存器，分别控制通道混合增益、MIC灵敏度、自动增益控制、输入放大器增益器等。

　　(3)DATA1操作模式用于读取音频数据重放时的峰值电平。