Cortex-M0的USB接口在智能手機(jī)底座音響中的應(yīng)用

ARM Cortex-M0 處理器是目前最小的 ARM 處理器。M0充分利用了ARM Thumb 技術(shù)、多級(jí)流水線技術(shù)、低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和最新的高密度硅閃存工藝，是目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的最小、能耗最低、最節(jié)能的ARM處理器。該處理能耗非常低、門數(shù)量少、代碼占用空間小，使得MCU開發(fā)人員能夠以8位處理器的價(jià)位，獲得32位處理器的性能。芯片制造商將M0產(chǎn)品針對(duì)某些特別應(yīng)用而進(jìn)行開發(fā)，分別有高集成32位微控制器、USB微控制器, CAN總線微控制器、帶USB口和CAN總線控制器等等，廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

隨著智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)技術(shù)的高速發(fā)展，人們的生活也隨之改變。從信息獲取到購物、娛樂、生活，衣食住行游購?qiáng)薀o一不包，其中一種簡(jiǎn)單易用的底座音箱也逐漸走入人們的生活。設(shè)計(jì)一個(gè)高性價(jià)比的音箱，以M0為內(nèi)核的USB微控制器作為這類電路系統(tǒng)主控芯片的不錯(cuò)選擇。

底座音響的音頻流程為：

以Iphone底座音響為例，音頻采用數(shù)字音頻方式傳輸可以保證音源不受外界的干擾而失真，告別傳統(tǒng)底座音箱音質(zhì)差易干擾等問題。MCU獲取數(shù)字音頻必須通過USB，其USB 傳輸?shù)亩它c(diǎn)要求是：協(xié)議占用有3個(gè)USB端點(diǎn)，另外2個(gè)控制端點(diǎn)和2個(gè)音頻端點(diǎn)，這樣基本需要7個(gè)端點(diǎn)以上的USB接口才能滿足這類方案的設(shè)計(jì)需要。而音頻解碼器是通過I2S方式來接收，這樣MCU必須同時(shí)具有I2S接口，而且還需通過I2C接口來控制。

除了音頻的傳輸，為了達(dá)到產(chǎn)品豐富的功能，可以根據(jù)人們的需要增加相應(yīng)的功能。如液晶顯示屏幕、紅外遙控板、各類的功能按鍵等等都是人們最基本的選擇，或者設(shè)計(jì)師可以展開豐富的想象力，將底座音箱設(shè)計(jì)成遙控的汽車模型，可愛的娃娃，威猛變形金剛… 這樣則對(duì)MCU提出更多的要求。芯片廠商或者已經(jīng)預(yù)料到在M0的應(yīng)用上會(huì)面對(duì)各式各樣的類型需求。那么M0為內(nèi)核的MCU基本上都有準(zhǔn)備了豐富的外設(shè)接口。如框圖：

以上除了可運(yùn)行至72 MHz Cortex?-M0內(nèi)核, 還內(nèi)建36K/68K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，以及12K/20K字節(jié) SRAM，4K字節(jié)用于存儲(chǔ)ISP引導(dǎo)代碼的ROM，保證系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。

USB 2.0 全速設(shè)備控制器和收發(fā)器符合USB 2.0全速設(shè)備規(guī)范，支持控制/塊/中斷/等時(shí)傳輸類型。USB 設(shè)備控制器共有 8 個(gè)可配置的端點(diǎn)。每個(gè)端點(diǎn)可以配置為輸入或者輸出類型。所有的操作包括 控制傳輸、批量傳輸、 中斷傳輸 和 同步傳輸都可以支持。端點(diǎn)控制模塊還可以用來管理數(shù)據(jù)序列同步，端點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)前起始地址，當(dāng)前事務(wù)狀態(tài)和每個(gè)端點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩存狀態(tài)。恰好滿足了底座音響 基本7個(gè)配置端點(diǎn)的需求。

I2S控制器由I2S協(xié)議與外部音頻CODEC接口組成，兩個(gè)8字節(jié)的FIFO分別用于讀與寫通道，可以處理8～32位字大小。DMA控制器處理數(shù)據(jù)在FIFO與內(nèi)存之間的傳輸。

兩組I2C控制器，I2C為雙線，雙向串行總線，通過簡(jiǎn)單有效的連線方式實(shí)現(xiàn)器件間的數(shù)據(jù)交換。I2C標(biāo)準(zhǔn)是多主機(jī)總線，包括沖突檢測(cè)和仲裁以防止在兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)試圖同時(shí)控制總線時(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)損壞。這樣MCU在對(duì)音頻解碼器和加密芯片等外部設(shè)備作控制。SPI接口可以外接如液晶顯示屏等需要SPI通訊的外部設(shè)備。集成了UART，PS/2，GPIO等接口更豐富了用戶的需求。

MUC集成的時(shí)鐘控制器為整個(gè)芯片提供時(shí)鐘源，包括系統(tǒng)時(shí)鐘和所有外圍設(shè)備時(shí)鐘。其中一個(gè)外部 4~24 MHz 高速晶振可以為USB等接口提供時(shí)鐘源，一個(gè)22.1184MHz內(nèi)部時(shí)鐘可以應(yīng)用到UART接口傳輸?shù)臅r(shí)鐘。另外還有一個(gè)內(nèi)部 10 KHz 低速振蕩器。因此，該MCU對(duì)于工作時(shí)鐘的設(shè)定，提供了很大的靈活性。

該控制器還通過單獨(dú)的時(shí)鐘關(guān)或開、時(shí)鐘源選擇和分頻器來進(jìn)行功耗控制。CPU使能PWR_DOWN_EN位后，Cortex-M0 內(nèi)核執(zhí)行WFI指令，芯片將進(jìn)入掉電模式。等喚醒中斷發(fā)生，將退出掉電模式。在掉電模式下，時(shí)鐘控制器關(guān)閉外部 4~24 MHz 高速晶振和內(nèi)部 22.1184 MHz 高速振蕩器，以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

根據(jù)這個(gè)MCU的資源我們可以搭建起一個(gè)的底座音響基本的系統(tǒng)。

首先，協(xié)議認(rèn)證。協(xié)議數(shù)據(jù)通過MCU的USB輸入后轉(zhuǎn)到I2C傳送到解碼芯片解密后再由USB送回到上位機(jī)認(rèn)證，通過了認(rèn)證就可以進(jìn)行下一步的音頻傳輸。

USB輸入的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)PCM碼發(fā)送到NUC123 USB的512字節(jié)的SRAM中，通過PDMA1搬送到了系統(tǒng)的SRAM，再通過PDMA2把PCM碼搬動(dòng)到I2S的緩存中，再通過I2S傳輸?shù)揭纛l解碼器進(jìn)行播放。系統(tǒng)SRAM達(dá)到20K字節(jié)，有足夠的空間做音頻同步或音頻數(shù)據(jù)的運(yùn)算等等。由于系統(tǒng)集成有6通道的PDMA，極大提升了音頻同步傳輸?shù)男省Ｍㄟ^上位機(jī)指定的HID協(xié)議，用MCU的GPIO接口設(shè)計(jì)相關(guān)按鍵，將上位機(jī)指定命令字符發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)播放器控制等功能。

這樣一個(gè)低功耗的高性價(jià)比的底座音響平臺(tái)就搭建起來了，根據(jù)不同需要可以選擇不同的音頻解碼器、功放、箱體和喇叭，一個(gè)簡(jiǎn)單的底座音響就設(shè)計(jì)完成了。MCU還有很多空閑的接口，可以根據(jù)不同的要求，增加相關(guān)的功能，如藍(lán)牙通訊、液晶顯示、紅外遙控…這就需要消費(fèi)者和設(shè)計(jì)師的想象力了。