基于I2S的USB 聲卡系統設計

關鍵詞： I2S , USB , 聲卡

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USB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。

圖1 USB 聲卡數據流  

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8/16位立體聲音頻CODEC IC的接口，支持I2S總線數據格式和MSB-justified數據格式，并且支持DMA傳輸模式。

音頻芯片采用UDA1341TS。UDA1341TS提供標準的I2S接口，可以直接和S3C2410的I2S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。UDA1341TS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?；祛l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。

圖2 USB聲卡拓撲圖

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

為了有效地定義出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(AudioControl)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)，OT3(Out Teminal)和Feature單元表示，IT1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UDA1341TS芯片L3接口的控制。

2. USB音頻數據流接口描述符。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1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、1兩個雙向傳輸端點。端點0執行控制傳輸(CONTROL)，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1采用同步傳輸方式( ISOCHRONOUS)，傳輸時間間隔為1ms，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：

Isr_USB()

{  

if(USB_INT_REG&RESET_INT) Reset_USB(); //重啟USB設備

if(USB_INT_REG&RESUME_INT) Resume_USB(); //喚醒USB設備  

if(USB_INT_REG&SUSPEND_INT) Suspend_USB(); //掛起USB設備

if(EP_INT_REG&EP0_INT) Handle_EP0(); //執行控制傳輸端點0處理程序

if(EP_INT_REG&EP1_INT) Handle_EP1(); //執行同步傳輸端點1處理程序

}

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0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 01 00 01 01 00 03 00

控制數據包 40 1F 00

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I2S和UDA1341TS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。

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1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8kHz/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1ms，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I2S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FIFO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?？梢試L試把MP4、U盤等和USB聲卡集成在一體，會更有應用價值。