基于I2S的USB 声卡系统设计

摘  要：本文介绍了基于S3C2410处理器平台，利用I2S总线的USB声卡系统设计。详细阐述了USB声卡通讯的实现，并且根据I2S总线DMA传输的特点实现了环形缓冲区，以提高系统性能，满足音频实时性的要求。
关键词： USB声卡；S3C2410；I2S

引言
    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，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。控制传输主要包括两个步骤，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，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。

参考文献
1. Samsung Inc. S3C44B0X Risc Microprocessor Datasheet. https://www.samsung.com.  2003

2.Philips Semiconductors. UDA1341TS datasheet.https://www. semiconductor. philips.com. 2002

3. Hyde, John, USB Design by Example. Intel. www.usb-by-example.com.2002.5

4. UDA1341TS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/UDA1341TS_670523.html.