基于Kinetis MK60N512和MAX5556的立體聲音頻接口設計

MK60N512是飛思卡爾公司Kinetis系列微控制器集成度最高的芯片，它基于ARM Cortex—M4內核，具有功耗低、性能高、成本低的特點，旨在為嵌入式音頻、汽車電子和電源管理等提供靈活的解決方案。MAX5556是美信公司一款低功耗、立體聲音頻數／模轉換器（DAC），支持標準I2S總線協議，采樣精度最高可達24位，采樣率為2～50 kHz。采用∑-△調制技術，能夠對量化噪聲進行有效整形，減小量化噪聲。

音頻處理系統中，采用DMA實現音頻數據在微控制器內的傳輸，能減少內核的參與，降低內核負擔。系統的數據傳輸通道如圖1所示，音頻信號暫存在緩存區中，由DMA傳輸到I2S總線模塊的發送電路。為了保持音頻信號的連續性，采用“乒乓RAM”設計緩存。圖中A／B表示乒乓RAM的編號。

　　1 MK60N512 I2S總線和eDMA介紹

　　1．1 I2S總線模塊

　　MK60N512的I2S總線模塊有3種基本操作模式：普通模式、網絡模式和門控時鐘模式，針對音頻上的應用，I2S總線模塊還支持兩種衍生模式：I2S總線模式和AC97模式。I2S總線模塊的結構如圖2所示，由發送電路、接收電路、串行時鐘和幀同步時鐘產生電路組成。STCK、SRCK分別為串行發送、接收時鐘端口，STFS、SRFS為串行發送、接收幀同步端口，STXD、SRXD為串行發送和接收數據端口。在同步模式下，STCK端口被發送和接收單元共同使用。

發送電路和接收電路均有兩個FIFO，寬度為32位，深度為15。對發送數據寄存器TX0／TX1和接收數據寄存器RX0／RX1的寫入與讀取可以訪問這些FIFO。發送邏輯將TX FIFO中的數據轉移出來，裝入發送串行移位器TXSR，然后從STXD端口串行發送；接收邏輯將數據從輸入的數據幀中轉移出來后，將它們放入接收RXFIFO的入口。當TX FIFO中空缺數目或RX FIFO數據達到設定的數目時，會觸發中斷或者DMA傳輸。

1．2 eDMA

MK60N512的eDMA高度可編程，數據傳輸高度優化而幾乎不需要CPU內核干預。與普通的DMA不同，eDMA的傳輸由主循環（Major Loop）和輔循環（MinorLoop）組成。主循環由外設自動觸發，每次主循環結束后源地址、目的地址都會按照TCDn_SOFF、TCDn_DOFF寄存器中的值自動偏移而不需要CPU去修改。除了所有傳輸結束后產生中斷申請外，eDMA還支持“半中斷”，即主循環完成總循環次數一半時產生中斷申請，這特別適合“乒乓RAM”設計。

2 MAX5556介紹

2．1 引腳定義和內部結構

MAX5556內部結構如圖3所示，MCLK為主時鐘，LRCLK為左／右聲道選擇時鐘，SCLK為外部串行時鐘，SDATA為串行音頻輸入，OUTL／OUTR為左／右聲道輸出。串行接口模塊獲取音頻數據后，由內置數字插值器、濾波器對其進行濾波，以去除基帶音頻信號攜帶的諧波噪聲；音頻數據經∑-△調制器調制后由DAC轉換，輸出的模擬信號經由內部的模擬低通濾波器進行濾波，衰減高頻量化噪聲；內置輸出緩存器能驅動大于3 kΩ的負載電阻和高達100 pF的負載電容；最終模擬音頻信號從OUTL／OUTR輸出。

2．2 工作模式

MAX5556支持外部串行時鐘模式和內部串行時鐘模式。在一個LRCLK周期內，若檢測到有效的SCLK，則進入外部串行時鐘模式，SCLK作為采樣時鐘；如果檢測不到有效的SCLK，則進入內部串行時鐘模式，采樣時鐘由內部生成。內部采樣時鐘的頻率根據檢測到的MCLK與LRCLK的比值確定，若MCLK與LRCLK的比值為384，則內部采樣時鐘頻率為48×fLRCLK；若MCLK與LRCLK的比值為256或512，則內部采樣時鐘頻率為32× fLRCLK。

2．3 數據格式

MAX5556支持左對齊16位或者24位數據格式。當其工作在外部串行時鐘模式，或工作在內部串行時鐘模式，且同時MCLK與LRCLK的比值為384時，有效數據為24位。如果數據不足24位，低位補零；超過24位的數據會被忽略。當工作在內部串行時鐘模式，且MCLK與LRCLK的比值為256或512時，有效數據為16位。MAX5556數據格式如圖4所示。每次LRCLK沿變化后的第二個SCLK上升沿時，SDATA上數據開始有效，出現最高有效位（MSB）；24個或者16個時鐘周期后出現最低位有效位（LSB）。LRCLK為0時，數據進入左聲道DAC；LRCLK為1時，數據進入右聲道DAC。

3 系統硬件電路設計

MK60N512通過I2S總線將音頻數據傳輸給MAX5556進行數模轉換，輸出模擬音頻信號由濾波電路進行濾波，同時提高帶負載能力。I2S總線模塊工作在I2S總線主模式下，發送電路的STCK、STFS和STXD端口對應的引腳分別為BCLK、TX_FS和TXD，I2S總線模塊的主時鐘通過MCLK引腳輸出。硬件電路如圖5所示。由于MK60N512工作在3．3 V電壓下，而MAX5556工作電壓為5 V，為了提高數據傳輸的穩定性，接口均采用上拉方式。

LM358在5 V單電源供電時有效輸出為1．5～3．5 V，而MAX5556的輸出可以達到0～5 V，因而在輸入端使用R1和R2對原始信號進行衰減，防止輸出信號出現削頂失真。

4 軟件設計

4．1 “乒乓RAM”設計

MK60N512的I2S總線模塊在I2S總線模式下支持雙聲道，音頻數據在FIFO中交錯存放，因此在緩存中的音頻數據也需要交錯存放。數據緩存如圖6所示，其中L／R表示音頻左／右聲道。每個音頻數據占用4個字節空間，緩存BUFF_A、BUFF_B在物理地址上是連續的，它們大小均為512字節，共存儲256個音頻數據。當DMA從緩區BUFF_A中讀取數據時，CPU向緩存區BUFF_B中存儲下一組音頻信號；當DMA將BUFF_A中的數據全部傳輸結束后，將DMA通道源地址切換到BUFF_B，同時CPU向BUFF_A存儲數據，如此反復。

4．2 I2S總線模塊的配置

配置I2S總線模塊工作在I2S總線主模式下，默認一幀數據長度是32位，而且為左對齊模式；使用幀同步TX_FS作為聲道選擇時鐘，且同步幀長度為一個字。由于MAX5556的SCLK信號由MK60N512提供，MAX5556工作在外部串行時鐘模式，有效數據位是24位，因而配置發送數據位為24位。按照MAX5556的數據格式，數據需要在SCLK下降沿輸出從TXD數據，且需要發送早期幀同步，讓數據延遲一個采樣時鐘，還需要根據音頻采樣頻率設置幀頻率。

使能TX FIFO和其DMA請求，當FIFO中空缺數達到8時，啟動一次DMA主循環。圖7為音頻數據在TXFIFO移動過程。圖7（a）中FIFO為滿，隨著發送移位邏輯從FIFO從取出一個數據后，FIFO產生一個空缺，如圖7（b）所示。當發送8次數據后，FIFO空缺數達到8個，則觸發DMA主傳輸，如圖7（c）所示。

4．3 eDMA配置

當TX FIFO空缺數達到8時，觸發DMA主循環，故每次主循環傳輸數據數目是32字節，每次主循環源地址偏移也是32字節，完成緩存區1 024字節數據傳輸需要32次主循環。第16次主循環結束，DMA已經將BUFF_A中所有數據傳輸完畢，DMA源地址指向BUFF_B，并產生“半中斷”請求，CPU開始向BUFF_A中存儲下一組512字節音頻數據。

當BUFF_B中數據傳輸結束后，源地址恢復到BUFF_A起始地址，并產生中斷請求，CPIJ響應中斷并向BIJFFB中存儲下一組512字節音頻數據?？梢钥闯?，在傳輸過程中，CPU只需要響應兩次中斷請求，然后向緩存區寫入音頻數據。每次主循環結束后源地址偏移32字節，完整的傳輸結束后，源地址恢復到BUFF_A起始地址，這些操作都是通過eDMA模塊自己完成的。

5 測試結果

圖8為TX_FS和TXD的波形圖，通道1為TX_FS，通道2為TXD。左／右聲道發送的音頻數據均是0x555。圖8（a）的發送幀頻率為48 kHz，圖8（b）的為44．1 kHz。從圖8中可以看出，數據長度為24位，左對齊模式，而且數據與幀同步有一個采樣時鐘的延時，符合MAX5556的數據格式和時序。

　　結語

　　本文設計了基于Kinetis MK60N512和MAX5556的立體聲音頻接口，MK60N512將音頻數據按照MAX5556的數據格式和時序通過I2S總線傳輸給MAX5556，MAX5556內部DAC將數據轉化為模擬信號輸出，并由濾波電路對音頻信號進行濾波，同時提高帶負載能力。使用MK60N512內部高性能可配置的eDMA提高系統數據傳輸速率，降低CPU的負擔。測試表明，系統能輸出立體聲音頻，輸出頻率可調，可以為Kinetis系列微控制器音頻解決方案提供參考。