SSI接口技術(shù)及其在音頻處理中的應(yīng)用

時(shí)間：2008-11-18 21:43:00

關(guān)鍵字：音頻處理接口技術(shù) BSP DAC

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引言
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)內(nèi)串口通信的需求越來(lái)越高，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議也多樣化，常用的有SSI、SPI、I2C、UART等。其中，SSI是一種帶有幀同步信號(hào)的串行數(shù)據(jù)協(xié)議。微處理器MCF5329中的SSI接口除了能用作一般的串行數(shù)據(jù)傳輸外，由于它帶有的幀同步信號(hào)可用作左右聲道數(shù)據(jù)的同步，支持兩種音頻總線接口(I2S和AC97接口)，所以它還能用作音頻數(shù)據(jù)的傳輸。
TLV320DAC23是TI公司推出的高性能立體聲高端編解碼芯片，支持多種采樣率和多種音頻格式，并具有功耗低、封裝小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式數(shù)字音頻處理系統(tǒng)中。

1 同步串行接口SSI的工作原理
Synchronous SerialInterface(SSI)是一個(gè)全雙工的串行接口，允許芯片與多種串行設(shè)備通信。它是高精度絕對(duì)值角度編碼器中一種較常用的接口方式，它采用主機(jī)主動(dòng)式讀出方式，即在主控者發(fā)出的時(shí)鐘脈沖的控制下，從最高有效位(MSB)開(kāi)始同步傳輸數(shù)據(jù)。SSI模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    從圖中可看出，SSI模塊由發(fā)送電路、接收電路、串行時(shí)鐘和幀同步時(shí)鐘產(chǎn)生電路組成。發(fā)送電路和接收電路相互獨(dú)立，但是共用串行時(shí)鐘和幀同步時(shí)鐘。
1．1 SSI模塊引腳信號(hào)描述
    SSLCLKIN：SSI時(shí)鐘輸入信號(hào)。
    SSLBCLK：SSI串行比特時(shí)鐘。
    SSLMCLK：SSI串行主時(shí)鐘信號(hào)，在SSI主模式下，
    該信號(hào)也作為過(guò)采樣時(shí)鐘信號(hào)。
    SSI_FS：SSI串行幀同步信號(hào)。
    SSLRXD：SSI串行接收數(shù)據(jù)信號(hào)。
    SSI_TXD：SSI串行發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。
1．2 SSI的操作模式
    SSI有3種基本同步操作模式：普通模式、網(wǎng)絡(luò)模式和門(mén)時(shí)鐘模式。
    普通模式是最簡(jiǎn)單的模式，一幀內(nèi)只能傳輸一個(gè)字，而且每一幀都需要幀同步信號(hào)來(lái)控制同步；網(wǎng)絡(luò)模式主要用于多時(shí)隙的情況下，一幀內(nèi)可以傳輸2個(gè)字到32個(gè)字不等；門(mén)時(shí)鐘SSI_BCLK模式下，串行比特時(shí)鐘SSI_BCLK指示了發(fā)送引腳或接收引腳上的有效數(shù)據(jù)，所以不需要幀同步信號(hào)。
    除了上述3種基本模式外，針對(duì)音頻上的應(yīng)用，SSI還支持兩種衍生模式——I2S模式和AC97模式，分別用于傳輸I2S和AC97音頻格式數(shù)據(jù)。
1．3 SSI的初始化
    初始化SSI模塊的正確順序：
    ①上電或重啟SSI(SSI_CR[SSI_EN]=0)，即關(guān)閉SSI模塊功能。
    ②配置SSI模塊。涉及的寄存器包括控制寄存器SSI_CR、中斷允許寄存器SSI_IER、發(fā)送配置寄存器SSI_TCR、接收配置寄存器SSI_RCR和時(shí)鐘控制寄存器SSI_CCR。
    ③通過(guò)SSI_IER寄存器設(shè)置必要的中斷或DMA。
    ④設(shè)置SSI_CR[SSI_EN]=1允許SSI模塊功能。
    ⑤設(shè)置SSI_CR[TE／RE]，開(kāi)始發(fā)送／接收數(shù)據(jù)。
1．4 SSI的工作過(guò)程
    (1)發(fā)送數(shù)據(jù)
    單通道時(shí)，數(shù)據(jù)從串行發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器SSI_TX0中傳到發(fā)送移位寄存器TXSR中，再通過(guò)串行發(fā)送引腳SSI_TXD發(fā)送出去，然后根據(jù)用戶設(shè)置情況決定是否產(chǎn)生發(fā)送中斷。如果發(fā)送緩沖區(qū)TXFIFOO被允許，則SSI_TX0繼續(xù)從TXFIFOO中取數(shù)據(jù)，直到TXFIFOO中的數(shù)據(jù)全部被發(fā)送，再通過(guò)用戶設(shè)置情況決定是否產(chǎn)生發(fā)送中斷。雙通道時(shí)，發(fā)送移位寄存器TXSR交替從SSI_TX0
和SSI_TXl中取出數(shù)據(jù)。
    (2)接收數(shù)據(jù)
    單通道時(shí)，數(shù)據(jù)從串行接收引腳SSI_RXD進(jìn)來(lái)，由接收移位寄存器RXSR傳輸給接收數(shù)據(jù)寄存器SSI_RX0，再根據(jù)用戶設(shè)置情況決定是否產(chǎn)生接收中斷。如果接收緩沖區(qū)RXFIFOO被允許，則SSI_RX0將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RXFIFOO，并繼續(xù)從接收移位寄存器中獲取數(shù)據(jù)。雙通道時(shí)，接收移位寄存器RXSR交替將數(shù)據(jù)傳輸給SSI_RX0和SSI_RXl。

2 音頻編解碼芯片簡(jiǎn)介
TLV320DAC23是TI公司推出的一顆高性能立體聲音頻處理芯片(CODEC芯片)，采用了多比特sigma-delta過(guò)采樣技術(shù)，采樣率可以從8 kHz到96 kHz，傳輸字長(zhǎng)可選擇為16位、20位、24位或32位；最大輸出信噪比可達(dá)到100 dB；控制端口可兼容SPI、2-wire等協(xié)議；回放模式下功率為18 mw，省電模式下小于15μW；適用于便攜式的數(shù)字音頻處理。其功能模塊框圖如圖2所示。

2．1 控制接口
    控制接口用于對(duì)器件TLV320DAC23的寄存器編程，設(shè)置音頻芯片的工作參數(shù)。它兼容兩種模式：SPI三線模式和2一wire模式。
    MODE：模式選擇引腳。為0時(shí)，采用2一wire模式；為1時(shí)，采用SPI模式。
    SCLK：控制端口串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘。
    SDI：控制端口串行數(shù)據(jù)輸入。
    CS：控制端口輸入鎖存／地址選擇。在SPI模式下，CS用于數(shù)據(jù)鎖存控制；在2一wire模式下，CS定義了器件地址域的第7位。SPI模式下，一個(gè)控制字為16位，分為兩部分：高7位為控制地址，低9位為控制字。16位的控制字由MSB位開(kāi)始傳輸，每個(gè)比特在SCLK的上升沿被鎖存，整個(gè)16位的控制字在最低位被CS鎖存進(jìn)TLV320DAC23。操作時(shí)序如圖3所示。其中，B[15：9]為控制地址，B[8：O]為控制字。

2．2 模擬接口
    模擬接口包括線輸入、線輸出和耳機(jī)輸出。耳機(jī)輸出可以驅(qū)動(dòng)16Ω或32 Ω的耳機(jī)，音量增益為6 dB到一73 dB。
    LLINEIN、RLINEIN：左、右聲道輸入。
    LOUT、ROUT：左、右聲道輸出。
    LHPOUT、RHPOUT：左、右聲道耳機(jī)輸出
2．3 數(shù)字音頻接口
    數(shù)字音頻接口用于輸入TLV320DAC23的D／A數(shù)據(jù)。
    BCLK：I2S串行比特時(shí)鐘。主模式時(shí)BCLK為輸出，從模式時(shí)BCLK為輸入。
    DIN：I2S串行數(shù)據(jù)輸入。
    LRCIN：字時(shí)鐘信號(hào)(幀信號(hào))，用于控制左、右聲道的數(shù)據(jù)。在主模式中，由TLV320DAC23產(chǎn)生該信號(hào)，在從模式中，由主設(shè)備(如DSP或MCU)產(chǎn)生該信號(hào)。
    TLV320DAC23支持4種音頻接口模式：右對(duì)齊模式、左對(duì)齊模式、I2S模式和DSP模式。這4種模式都是最高有效位MSB在前，16到32位不同的字長(zhǎng)(右對(duì)齊除外，它不支持32位)。圖4是I2S模式下的數(shù)字音頻接口時(shí)序，數(shù)據(jù)的MSB在LRCIN下降沿后的第2個(gè)BCLK上升沿開(kāi)始傳輸。

2．4 時(shí)鐘接口
MCLK：芯片主時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)TLV320DAC23作為主設(shè)備時(shí)，該信號(hào)由芯片自身產(chǎn)生；當(dāng)TLV320DAC23作為從設(shè)備時(shí)，該信號(hào)由外部產(chǎn)生。
CLKOUT：時(shí)鐘輸出信號(hào)?？梢詾镸CLK或MCLK／2。

3 基于MCF5329的音頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
3．1 硬件電路
TLV320DAC23與MCF5329的接口有兩個(gè)：一個(gè)是控制接口，用于設(shè)置TLV320DAC23的寄存器，從而設(shè)置它的工作參數(shù)。由于MCF5329具有QSPI模塊，它兼容SPI接口格式，所以TLV320DAC23的控制接口采用SPI模式。另一個(gè)是數(shù)字音頻接口，用于傳輸TLV320DAC23的音頻數(shù)據(jù)并控制數(shù)據(jù)的時(shí)序。由于MCF5329的SSI模塊支持I2S音頻格式，所以TLV320DAC23的數(shù)字音頻接口采用I2S模式。
在本設(shè)計(jì)中，由微控制器MCF5329提供時(shí)鐘信號(hào)，所以將MCF5329設(shè)為主設(shè)備，TLV320DAC23作為從設(shè)備。具體連接如圖5所示。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
音頻播放的過(guò)程如下：程序檢測(cè)到用戶空間有需要播放的音頻數(shù)據(jù)，便將音頻數(shù)據(jù)拷貝到所建立的緩沖區(qū)中；然后通過(guò)DMA將緩沖區(qū)的音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊SI模塊的發(fā)送引腳SSI_TXD，發(fā)送引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送至TLV320DAC23中，通過(guò)耳機(jī)播放出來(lái)。
軟件設(shè)計(jì)的流程如圖6所示。其中，音頻緩沖區(qū)被設(shè)置為一個(gè)固定大小的循環(huán)隊(duì)列，其設(shè)置如圖7所示。初始時(shí)，bufstart、audiostart、audiotail都指向緩沖區(qū)頭。當(dāng)用戶空間有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)并用audiotail指示數(shù)據(jù)尾部，數(shù)據(jù)的頭部通過(guò)DMA引擎連接到SSI_TXD引腳，隨著數(shù)據(jù)被SSI_TXD發(fā)送至TLV320DAC23，audiostart跟蹤數(shù)據(jù)的頭部。