USB音頻設備類的自遁應軟件鎖相環(huán)設計

摘要 USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是近年來得到大力發(fā)展和應用的計算機接口技術(shù)，它簡化了計算機外部接口連接過程，便于計算機擴展各種外部設備。USB在協(xié)議制定時，為了方便不同方向的設計者進行開發(fā)，定義了不同的USB設備類(USB Device Class)。本文針對使用USB_Audio_Class進行語音設備設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。
關(guān)鍵詞 USB總線 USB音頻設備類 軟件鎖相環(huán)

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。現(xiàn)在的PC機通過USB Hub設備和多個USB控制器，能同時支持擴展的USB設備已經(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外設都只能和主機建立連接，任何兩個外設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，為了方便不同設備的開發(fā)商基于USB進行設計，定義了不同的設備類來支持不同類型的設備?，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，但是很少有此類設備問世。目前稱為USB音箱的設備，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)。
    本文為了設計實現(xiàn)一個完全基于USB協(xié)議的USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設備，采用一根USB連接線，在設備中不同的端點 (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設備的開發(fā)過程，USB提出了設備類的概念。其中的音頻設備類(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備結(jié)構(gòu)，主機則根據(jù)列舉的不同設備結(jié)構(gòu)提供相應的服務。
    USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設備采用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。[!--empirenews.page--]
    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。
    資源消耗量小：要適應嵌入式系統(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：

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6 測 試
    (1)基本性能
    關(guān)閉軟件鎖相環(huán)，系統(tǒng)在緩存中存放240個sample開始播放。而每次當程序播放約45 s時，由于緩存消耗殆盡，語音會自動中斷，無法播放。
    開啟軟件鎖相環(huán)，程序可以無時間限制運行，達到設計目的。
    (2)緩存需求測試
    在播放至少10 min穩(wěn)定以后，利用變量rangel和range2跟蹤緩存內(nèi)數(shù)據(jù)數(shù)量波動范圍，記錄最大值和最小值，分12次測試，如圖4所示。

    可見，在啟動軟件鎖相環(huán)以后，緩存中數(shù)據(jù)量最大浮動范圍在192～250 sample之間。因此，為保證數(shù)據(jù)不溢出，只需要約60字節(jié)空間作為緩存就能維持設備正常工作。
    (3)估算時鐘偏差測試
    在不同電腦上運行10 min以上，提取插入／丟棄數(shù)據(jù)間隔，取倒數(shù)可以得到穩(wěn)定后設備和USB時鐘偏差率。由圖5可見，總體偏差在0．001～0．003以內(nèi)，基本符合預期。

    (4)穩(wěn)定性測試
    運行10 min以后，讀取當前設備緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量。由于每次寫入／讀取8個sample，而終止程序進行數(shù)據(jù)提取是隨機的，無法確定緩存剛才由USB寫入還是由 ML2308讀取，因此在240上下8個sample以內(nèi)都是完全符合預期的。由圖6可見，程序能準確地將緩存中數(shù)據(jù)量控制在240個sample左右，完全達到設計目標。

結(jié) 語
    基于插值算法的自適應軟件鎖相環(huán)，適用于針對USB_Audio_Class_Device的時鐘同步需求。它在達到設計要求的前提下，對嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存和MIPS占用極低，非常適合在利用USB總線作為音頻數(shù)據(jù)傳輸，或通信雙方存在一定的不確定速率的誤差且需要設備自主完成數(shù)據(jù)同步的設備中使用。