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基于I2S的USB 声卡系统设计

来源:电子产品世界/武汉科技大学计算机学院 闵华松 孙程建?? 2007年03月15日 ?? 收藏0

  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。

USB声卡数据流

  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。

  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声卡拓扑图

  图2 USB声卡拓扑图

  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。


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USB? 声卡? ARM? 音频?

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