USB音頻設(shè)備類的音頻信號同步解決方案

本文針對使用USB_Audio_Class進行語音設(shè)備設(shè)計時需要解決的音頻信號同步問題進行了介紹，并給出了相應的解決方法和部分源代碼。

　　引 言
 

　　USB總線協(xié)議經(jīng)歷了從USB1.1到USB2.0再到目前的USB OTG(USB On-The-Go)的發(fā)展過程，在USB不斷發(fā)展完善的同時，越來越多的USB產(chǎn)品大量上市?，F(xiàn)在的PC機通過USB Hub設(shè)備和多個USB控制器，能同時支持擴展的USB設(shè)備已經(jīng)達到數(shù)百個。

　　在USB總線傳輸中，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制，所有的USB外設(shè)都只能和主機建立連接，任何兩個外設(shè)之間或者兩個主機之間無法直接通信。目前，扮演主機角色的大多是個人電腦(PC)。

　　USB協(xié)議制定時，為了方便不同設(shè)備的開發(fā)商基于USB進行設(shè)計，定義了不同的設(shè)備類來支持不同類型的設(shè)備?，F(xiàn)在市場上的USB產(chǎn)品，通過調(diào)查會發(fā)現(xiàn)它們主要應用了以下設(shè)備類：

　　USB_DEVICE_CLASS_HUMANINTERFACE 鍵盤、鼠標等

　　USB_DEVICE_CLASS_STORAG U盤、活動硬盤、數(shù)碼相機等

　　USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE力回饋游戲桿、方向盤等

　　USB_DEVICE_CLASS_POWER 風扇、LED臺燈、手機充電等

　　USB_DEVICE_CLASS_PRINTER 打印機

　　從市場上看，雖然在USB標準中定義了USB_DE-VICE_CLASS_AUDIO，但是很少有此類設(shè)備問世。目前稱為USB音箱的設(shè)備，大都使用 USB_DEVICE_CLASS_POWER，僅僅將USB接口作為電源使用。信號仍然需要3.5 mm立體聲音頻線連接使用，連接相對復雜。這樣沒有體現(xiàn)USB設(shè)備連接簡單，操作方便的優(yōu)勢，且采用模擬信號傳送會產(chǎn)生一定的信號失真，影響音質(zhì)。

　　本文為了設(shè)計實現(xiàn)一個完全基于USB協(xié)議的USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設(shè)備，采用一根USB連接線，在設(shè)備中不同的端點 (endpoint)實現(xiàn)音頻信號的輸入，輸出包括相關(guān)按鍵控制，并重點討論如何解決由于USB特殊的總線拓撲結(jié)構(gòu)造成的信號同步問題。

　　1 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO介紹

　　為簡化USB設(shè)備的開發(fā)過程，USB提出了設(shè)備類的概念。其中的音頻設(shè)備類(USB_DEVICE_CLASS_AU-DIO)是目前為止使用比較少的類型。

　　USB_DEVICE_CLASS_AUDIO是專門針對USB音頻設(shè)備定義的一種專用類別，它不僅定義了音頻輸入/輸出端點的標準，還提供了音量控制、混音器配置、左右聲道平衡，甚至包括對支持杜比音效解碼設(shè)備的支持，功能相當強大。不同的開發(fā)者可以根據(jù)不同的需求對主機列舉自己的設(shè)備結(jié)構(gòu)，主機則根據(jù)列舉的不同設(shè)備結(jié)構(gòu)提供相應的服務(wù)。

　　USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設(shè)備采用USB傳輸模式中的Isochronous transfers模式，Isochronous trans-fers傳輸模式是專門針對流媒體特點的傳輸方法。它依照設(shè)備在鏈接初始化時列舉的參數(shù)，保證提供穩(wěn)定的帶寬給采用該模式的設(shè)備或端點。由于對實時性的要求，它不提供相應的接收/應答和握手協(xié)議。這很好地適應了音頻數(shù)據(jù)流量穩(wěn)定、對差錯相對不敏感的特點。

　　2 平臺介紹與系統(tǒng)架構(gòu)

　　開發(fā)平臺采用ColdFire MCF52223作為控制MCU。該芯片提供32 KB SRAM，256 KB Flash，具備USB-OTG模塊，80 MHz主頻下達到76Dhrystone 2.1 MIPS，同時板載ML2308作為音頻播放模塊。詳細資料可以參閱其官方網(wǎng)站http：//www.hhcn. com/chinese/coldfire/HHCF52223-R1.htm。

　　主要硬件模塊結(jié)構(gòu)和軟件模塊結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

　　3 同步問題

　　由于USB總線拓撲結(jié)構(gòu)的特殊性，所有數(shù)據(jù)傳輸都由主機(PC)發(fā)起，在設(shè)備插上USB接口并完成初始化、列舉等步驟以后，主機會按照設(shè)備列舉的要求進行流量分配。USB全速模式總線以1 ms為1幀。由于采用Isoch-ronous transfers模式，為測試方便，音頻格式采用8 k/s采樣率，8位量化。因此單聲道每幀數(shù)據(jù)量為：

　　MCF52223通過USB D驅(qū)動在接收并解出USB數(shù)據(jù)包里的音頻數(shù)據(jù)后，存入內(nèi)部開辟的緩存中。ML2308每個聲道具有64字節(jié)緩存，當緩存滿、緩存一半和緩存為空時會分別發(fā)送中斷信號Full、Mid、Empty給MCF52223，而MCF52223可以根據(jù)不同的中斷信號對ML2308進行寫入新數(shù)據(jù)工作。

　　因此，在設(shè)備的寫入端數(shù)據(jù)按照PC上的USB的時鐘進行傳輸，而在設(shè)備輸出端數(shù)據(jù)按照ML2308的時鐘進行操作。ML2308時鐘來自板載晶振，這兩個時鐘不可避免存在一定誤差，而且根據(jù)測試，不同PC的USB總線時鐘也有微小差別。這些差異會造成設(shè)備內(nèi)部緩存的音頻數(shù)據(jù)不斷被消耗殆盡，或者不斷增加而最終溢出。因此，需要一個易于實現(xiàn)且對資源消耗量較小的方法來同步輸入與輸出信號。由于這種差異是不確定的，該算法需要一定的自適應能力。

　　 4 自適應軟件鎖相環(huán)設(shè)計

　　之前采用簡單的緩存門限控制方法判斷是否需要插值，即當緩存高于某門限時，丟棄一個PCM樣點。而當?shù)陀谀骋婚T限時，插入一個PCM樣點，由于時鐘速度差異的長期固有性，在插入/丟棄一個PCM樣點后，緩存數(shù)量仍然可能繼續(xù)減少或增加，從而造成程序無規(guī)律的爆發(fā)式的插入或丟棄數(shù)據(jù)操作，產(chǎn)生不可接受的噪音。

　　因而在算法設(shè)計時，重點考慮以下幾點。

　　操作的穩(wěn)定性：不能有對數(shù)據(jù)突發(fā)性的操作。

　　操作的分散性：要盡量平均的控制信號，把插入/丟棄產(chǎn)生的失真平均化。

　　資源消耗量?。阂m應嵌入式系統(tǒng)成本低廉、片上存儲、運算資源不是很富裕的客觀條件。

　　音頻的實時性：聲音對實時性要求較高，不能出現(xiàn)停頓、明顯延遲等情況。

　　因此，采用一種插入/丟棄樣本間隔平均化的自適應模糊控制算法進行設(shè)計。

　　針對兩次插值/丟棄操作之間的樣點數(shù)進行控制，而非對樣點本身，在每次插值/丟棄操作后進行速率匹配判斷，修改插值/丟棄間隔。由于通常這種時鐘差異在千分之一量級，插入/丟棄操作間隔也在千樣點量級，大大減少了頻繁的判斷操作。算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　5 算法實現(xiàn)

　　由于每臺電腦以及每塊開發(fā)板的時鐘都有誤差，所以每次連接設(shè)備都需要檢查兩者時鐘速率關(guān)系，實現(xiàn)該功能的關(guān)鍵代碼如下：