基于I2S的USB声卡系统设计

基于I2S的USB声卡系统设计

近年来USB产品层出不穷,USB音频类在USB开发者论坛的努力下,成为一种标准的规范,USB声卡也开始在市场上悄然出现。因为USB声卡内置了DAC和有源功放,音频数据以数字方式进入USB声卡,完全杜绝了PC的内部干扰,所以,USB声卡将有可能成为现有内置声卡的替代品。本文介绍了一种基于ARM处理器的USB声卡设计。

    USB声卡原理

    由USB声卡数据流图(见图1)可以看出USB声卡的工作原理。在主机端播放音乐时,应用软件或驱动程序把各类音频信号转换为统一的格式,如PCM、MPEG等格式的数据流,通过主机的IJSB接口发送给USB声卡。声卡的USB接口接收到数据后,通过I2S接口把并行音频数据转为串行,再发送给音频编解码芯片进行D／A转换,即可在音频芯片连接的扬声器中发音。录音过程和播放过程正好相反。

    硬件设计

    USB声卡硬件主要包括MCU和音频编解码芯片。MCU采用三星公司的处理器S3C2410,S3C2410内置I2S总线控制器和USB Slaver控制器。S3C2410的I2S控制器实现了一个外部8门6位立体声音频CODECIC的接口,支持FS总线数据格式和MSB-justifled数据格式,并且支持DMA传输模式。

    音频芯片采用UDA1341TS。UDAl34lTS提供标准的I2S接口,可以直接和S3C2410的12S引脚连接。另外,此芯片还提供标准的L3、麦克风和扬声器接口。L3接口的引脚分别连到S3C2410的3个GPIO输出引脚上,通过GPIO控制L3接口。UDAl341TS音频芯片集成数字化音频和混频器功能。数字化音频功能可以播放数字化声音或录制声音,因为包括这个功能,所以常把此类芯片称为CODEC设备。混频器用来控制各种输入／输出的音量大小等,在本芯片中通过L3接口进行控制。

     

    软件设计

    软件设计包括两部分：USB声卡固件程序设计和主机端Windows驱动设计。因为USB音频类设备是一种标准设备,在Windows操作系统上有标准的USB音频驱动,所以只需要开发者根据USB音频类的协议开发固件程序。

    USB声卡的固件程序主要包括两部分,第一部分主要是USB通讯,第二部分实现I2S接口数据传输以及数据流的缓冲区控制等。

    USB通讯

    USB声卡描述符

    为厂有效地定义出USB声卡的描述符,可先根据USB音频类协议,并结合需要实现的USB声卡功能,确定出USB声卡的拓扑图(见图2),然后再根据拓扑图和USB音频类描述符的协议,写出USB声卡的描述符。

    USB声卡的描述符包括5部分,分别为设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符。接口描述符是其中的难点。USB声卡的接口描述符包括两部分：音频控制(AudioC2OntrOl)接口描述符和音频数据流(AudioStreaming)接口描述符。

    1．USB音频控制接口描述符。根据USB声卡的拓扑图所示,当声卡用于回放功能时,其声卡功能的控制流程,通过IT1(Input Teminal),0T3(Out Teminal)和Feature单元表示,ITl表示的是PC向USB声卡发送的音频数据流,OT3表示的是发向DAC的数据流,在IT1和OT3之间的Feature单元用于调节音量和音效功能等。当声卡执行录音功能时,USB的功能拓扑通过IT2,OT4表示,IT2表示A／D采样的音频数据流,OT4表示的是通过USB接口发向PC的数据流。USB音频控制接口的数据传输一般使用默认端点0。

    在USB声卡的拓扑图中,F表示的是USB音频类的Feature单元,Feature单元的主要作用是控制音量、静音、低音等。如果在描述符中声明了Feature单元,在Windows操作系统下,控制面板中的声音和音频设备的一些功能才能使用。那么在Windows中进行调节音量等控制时,就会触发固件程序对UDAl341TS芯片L3接口的控制。

    2．USB音频数据流接几描述符。因为USB音频有回放和录音两种功能,所以需要两个同步数据流接口,两个接口使用双向端点l进行数据传输。

    通过USB声卡的拓扑图,可以分析出音频接口的流程和功能,从而得出USB声卡的描述符。

    USB通讯的程序实现

    S3C2410有5个双向FIFO端点,其中0端点是控制传输端点,其他4个端点支持批量、中断、同步传输等方式。在本系统中使用0、l两个双向传输端点。端点0执行控制传输(C0NTROL), 一方面传输USB协议的控制信息,例如Setup事件、握手信号、枚举信息等,另一方面传输音频控制信息,例如采样率控制、音量控制等。端点l采用同步传输方式(IS(OCHRON0US),传输时间间隔为lms,用于实时传递主机和I2S之间的录音或放音数据。

    根据USB协议,USB设备的任何数据传输,都由USB主机分配,然后USB设备响应相应的USB主机总线请求。S3C2410的USB控制器采用的是中断方式响应,那么在S3C2410的USB中断服务程序中要作以下工作：

   

    

    USB声卡的控制传输

    在主机端应用程序中,执行音量调节、静音等事件时,USB音频驱动通过默认端点O执行一个控制传输。一次控制传输主要包括两个步骤,第一步,由主机向设备发送一个建立(Setup)信息,描述控制访问的类型,设备将执行此控制访问。第二步,零个或多个控制数据信息的传送,这是访问的具体信息。根据USB音频类协议分解控制信息包,然后再根据控制信息,执行相应的操作。例如,在主机端应用程序中播放音乐前,USB声卡就会从主机端收到如下的两个包：

    Setup包 22 0l 00 01 0l
    00 03 00
    控制数据包40 lF00

    根据USB音频类协议分解Setup包,可以得知,本次控制传输的作用是设置USB声卡的采样频率,并且收到的3字节控制数据信息是采样频率,即8KHz,,那么在播放音乐前,必须把l。s和UDAl34lTS芯片的采样频率设置为8kHz,才能和主机端保持同步。

    I2S总线实现方法

    在S3C2410芯片中,I2S接口提供三种数据传输模式：正常传输模式、DMA传输模式、传输／接收模式。本系统采用的是传输／接收模式,它具有双通道DMA功能,一方面窃取总线控制权,提高系统的吞吐能力,另一方面,可以实现同时接收和发送音频数据,即全双工模式。
 
    在S3C2410芯片中,有4个DMA通道控制器用于控制各种外部设备,其中I2S与其他串行外设共用两个桥接DMA(BDMA)类型的DMA通道。通过设置I2SFCON寄存器可以使I2S接口工作在DMA模式下。此模式下FIFO寄存器组的控制权掌握在DMA控制器上。当FIFO满时,由DMA控制器对FIFO中的数据进行处理。DMA模式的选择由I2SCON寄存器的第四和第五位控制。

    为了使USB声卡的回放和录音可以同时进行,即实现全双工,数据传输使用两个BDMA通道,通道0用于回放,通道l用于录音,因为S3C2410的BDMA中没有内置DMA存储区域,所以需要在SDRAM中分配DMA缓冲区。音频数据回放时,先由USB总线取得音频数据,写入DMA缓冲区,由BDMA控制器通道0窃取总线控制权,通过I2S控制器写入I2S总线并传输给音频芯片。录音采用BDMA控制器的通道1,其数据流过程和回放相反。

    由于处理的音频数据量比较大,并且PC端接收／发送数据的速度和I2S处理数据的速度不能完全匹配,这就导致了放音失真或者录音丢帧的现象。为了解决这个问题,最简单易行的方法是使用比较大的环形缓存。但实际上大的缓存区需要更长的填充时间,在使用时会出现延时。为了解决延时的问题,使用环形、多段缓存机制。在这种机制下,将缓存区分割成若干个相同大小的块,并使用算法实现环形缓冲。下面以8kKHz／16位／单通道音频流的播放为例说明缓冲区的操作。

    USB音频类规定的USB同步传输周期为lms,即对于8kHz／16位,单通道PCM编码的音频流,每隔1ms,USB设备就会收到一次主机传来的数据,数据包大小为16字节,为了尽量保持FS和USB传输同步,可以取16字节作为一个缓存区段的大小。当USB声卡接收到数据后,MCU先判断缓冲区中是否有空闲区域,如果没有足够缓冲区就跳过一个样本,然后再逐一把F1FO中的数据复制到SDRAM的缓冲区。

    因为I2S的DMA控制器处理数据是按段进行,每段长度为16字节,在DMA取数据前,先判断缓冲区中的数据量,如果没有足够数据(16字节),则加入静音数据,然后再执行DMA传输。

    结语

    本文所阐述的基于I2S总线的USB声卡,已经在基于S3C2410处理器的开发板上成功实现,不过只是实现了USB声卡的最基本功能。可以尝试把MP4、U盘等和USB声卡集成在一体,会更有应用价值。