怎样去设计一种基于I2S总线的USB声卡？

1303 I2S 总线 usb声卡

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 本文介绍了一种基于I2S总线的USB声卡设计。 0
2021-6-7 06:30:21　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × ChristineGu 该类别下有 16 个回答。邀请回答 HengDu 该类别下有 16 个回答。邀请回答 heks 该类别下有 16 个回答。邀请回答 dfasda 该类别下有 15 个回答。邀请回答 nhonglan 该类别下有 15 个回答。邀请回答 yonglanzhang 该类别下有 15 个回答。邀请回答杀狼000 该类别下有 14 个回答。邀请回答 wenminglang 该类别下有 14 个回答。邀请回答 C880U 该类别下有 14 个回答。邀请回答 jhdfvs 该类别下有 14 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 14 个回答。邀请回答 muwersddg 该类别下有 14 个回答。邀请回答 a732538 该类别下有 13 个回答。邀请回答 hrtuoyu 该类别下有 13 个回答。邀请回答 hfgdzc 该类别下有 13 个回答。邀请回答 thyysbk 该类别下有 13 个回答。邀请回答凡人wlj 该类别下有 13 个回答。邀请回答 kszdj113 该类别下有 13 个回答。邀请回答飞雪9366 该类别下有 13 个回答。邀请回答 billbian 该类别下有 13 个回答。邀请回答举报王浩相关推荐 • 如何才能用2B直接输出I2S信号到DAC解码器？ 2977 • 请问怎样去设计一种USB－CAN－RS232三总线转换装置？ 1480 • 怎样去绘制一种ESP32-S2芯片内置USB接口电路呢 2085 • I2S有哪些信号？ 5296 • 音频外部codec芯片i2s引脚与RK3399 i2s1是怎样进行连接的 2629 • 基于FPGA和AD1836的I2S接口该如何去设计？ 1033 • 请问一下怎样去设计一种USB3.0的电路 1970 • I2S自动和手动哪个好 1792 • 如何通过I2S接收一些信号？ 2364 • I2S波形对齐的问题 4952 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 　　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USB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。　　　　图1 USB 声卡数据流　　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8/16位立体声音频CODEC IC的接口，支持I2S总线数据格式和MSB-justified数据格式，并且支持DMA传输模式。　　音频芯片采用UDA1341TS。UDA1341TS提供标准的I2S接口，可以直接和S3C2410的I2S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。UDA1341TS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。　　　　图2 USB声卡拓扑图　　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　　为了有效地定义出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（AudioControl）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），OT3（Out Teminal）和Feature单元表示，IT1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UDA1341TS芯片L3接口的控制。　　2. USB音频数据流接口描述符。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1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、1两个双向传输端点。端点0执行控制传输（CONTROL），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1采用同步传输方式（ ISOCHRONOUS），传输时间间隔为1ms，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：　　Isr_USB（）　　{ 　　if（USB_INT_REG&RESET_INT） Reset_USB（）; //重启USB设备　　if（USB_INT_REG&RESUME_INT） Resume_USB（）; //唤醒USB设备　　if（USB_INT_REG&SUSPEND_INT） Suspend_USB（）; //挂起USB设备　　if（EP_INT_REG&EP0_INT） Handle_EP0（）; //执行控制传输端点0处理程序　　if（EP_INT_REG&EP1_INT） Handle_EP1（）; //执行同步传输端点1处理程序　　} 　　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0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 01 00 01 01 00 03 00 　　控制数据包 40 1F 00 　　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I2S和UDA1341TS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1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8kHz/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1ms，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I2S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FIFO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。

2021-6-7 17:15:42 评论举报杨梅