淺談SSI接口技術(shù)及其在音頻處理中的應(yīng)用

引 言

嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對(duì)通用的軟硬件基礎(chǔ)，然后在其上開(kāi)發(fā)出適應(yīng)各種需要的系統(tǒng)，是一個(gè)比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個(gè)只有幾K到幾十K微內(nèi)核，需要根據(jù)實(shí)際的使用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。

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。SSI（Server Side Include），通常稱為服務(wù)器端嵌入，是一種類似于ASP的基于服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)制作技術(shù)。大多數(shù)（尤其是基于Unix平臺(tái)）的WEB服務(wù)器如Netscape Enterprise Server等均支持SSI命令。另外，在計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域SSI是同步串行接口（Synchronous Serial Interface）的英文縮寫。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），微處理器用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小，重量輕和容易模塊化等優(yōu)點(diǎn)。微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運(yùn)算器、時(shí)序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲(chǔ)器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制部分。它可與存儲(chǔ)器和外圍電路芯片組成微型計(jì)算機(jī)。

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。可以使用“服務(wù)器端包含 （SSI）”指令將文本、圖形或應(yīng)用程序信息包含到網(wǎng)頁(yè)中。例如，可以使用 SSI 包含時(shí)間/日期戳、版權(quán)聲明或供客戶填寫并返回的表單。對(duì)于在多個(gè)文件中重復(fù)出現(xiàn)的文本或圖形，使用包含文件是一種簡(jiǎn)便的方法。將內(nèi)容存入一個(gè)包含文件中即可，而不必將內(nèi)容輸入所有文件。通過(guò)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的語(yǔ)句即可調(diào)用包含文件，此語(yǔ)句指示 Web 服務(wù)器將內(nèi)容插入適當(dāng)網(wǎng)頁(yè)。而且，使用包含文件時(shí)，對(duì)內(nèi)容的所有更改只需在一個(gè)地方就能完成。 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)。

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

Codec 編碼解碼器主要作用是對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮和解壓縮。計(jì)算機(jī)工業(yè)定義通過(guò)24位測(cè)量系統(tǒng)的真彩色，這就定義了近百萬(wàn)種顏色，接近人類視覺(jué)的極限。現(xiàn)在，最基本的V GA顯示器就有640*480像素。這意味著如果視頻需要以每秒30幀的速度播放，則每秒要傳輸高達(dá)27MB的信息，1GB容量的硬盤僅能存儲(chǔ)約37 秒的視頻信息。因而必須對(duì)信息進(jìn)行壓縮處理。通過(guò)拋棄一些數(shù)字信息或容易被我們的眼睛和大腦忽略的圖像信息的方法，使視頻的信息量減小。這個(gè)對(duì)視頻壓縮解壓的軟件或硬件就是編碼解碼器。編碼解碼器的壓縮率從一般的2 ：1-100：1不等，使處理大量的視頻數(shù)據(jù)成為可能。

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。

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)。可以為MCLK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。

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。

結(jié) 語(yǔ)

本文分析了同步串行接口SSI的工作原理及過(guò)程，并通過(guò)與編解碼芯片TLV320DAC23的通信詳細(xì)介紹了SSI在音頻處理中的應(yīng)用。實(shí)踐表明，SSI接口簡(jiǎn)單，使用靈活可靠。