閆紅超

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610031)

引 言

I2S(Inter-IC Sound Bus)是飛利浦公司針對(duì)數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn),采用沿獨(dú)立的導(dǎo)線傳輸時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)的設(shè)計(jì)[1],通過(guò)分離數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào),避免了時(shí)差誘發(fā)的失真。I2S總線簡(jiǎn)單有效,可以有效提升輸出數(shù)據(jù)的質(zhì)量,在各種嵌入式音頻系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。但是在嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,并不是所有的MCU都支持I2S總線格式,再加上I2S還沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn),不同的廠家生產(chǎn)的設(shè)備接口也是五花八門,采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S總線可有效解決在不支持其的MCU和設(shè)備之間通過(guò)I2S總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)的問題。

本文通過(guò)在以太網(wǎng)數(shù)字語(yǔ)音廣播系統(tǒng)中軟件模擬I2S總線實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸,給出了軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S總線的方法。

1 I2S總線規(guī)范

I2S為三線總線,3個(gè)信號(hào)分別為[1-3]：

①串行時(shí)鐘SCK,也叫位時(shí)鐘(BCK)。即每發(fā)送1位數(shù)字音頻數(shù)據(jù),SCK上都有1個(gè)脈沖。SCK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,I2S總線的發(fā)送器和接收器都可以作為系統(tǒng)的主機(jī)來(lái)提供系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。

②幀時(shí)鐘WS,即命令(聲道)選擇,用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。WS的頻率等于采樣頻率,由系統(tǒng)主機(jī)提供。WS為“0”表示傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù),WS為“1”表示傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。

③串行數(shù)據(jù)信號(hào)SD,用于傳輸二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。

I2S格式的信號(hào)無(wú)論有多少位有效數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)位的最高位(MSB)總是被最先傳輸,1次能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)決定于I2S格式的有效位數(shù)。

1個(gè)典型的I2S信號(hào)時(shí)序如圖1所示[2]。

圖1 I2S總線典型時(shí)序圖

隨著技術(shù)的發(fā)展,在統(tǒng)一的I2S接口下出現(xiàn)了多種不同的數(shù)據(jù)格式。根據(jù)SD信號(hào)相對(duì)于SCK和WS位置的不同,分為左對(duì)齊和右對(duì)齊2種格式,如圖2和圖3所示。

圖2 16位有效位數(shù)的左對(duì)齊格式

圖3 16位有效位數(shù)的右對(duì)齊格式

在上面2種數(shù)據(jù)傳輸格式中,當(dāng)WS為“1”時(shí)傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù),當(dāng)WS為“0”時(shí)傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。為了保證數(shù)字音頻信號(hào)的正確傳輸,發(fā)送端和接收端必須采用相同的數(shù)據(jù)格式。

2 軟件模擬I2S

以太網(wǎng)數(shù)字語(yǔ)音廣播系統(tǒng)主要是指以以太網(wǎng)為傳播介質(zhì)提供音頻服務(wù)的廣播系統(tǒng),將語(yǔ)音信號(hào)以標(biāo)準(zhǔn)IP包的形式在以太網(wǎng)上進(jìn)行傳送,以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音廣播功能。該系統(tǒng)在PC機(jī)端通過(guò)麥克風(fēng)采集語(yǔ)音數(shù)據(jù),然后將采集到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給嵌入式終端,嵌入式終端將接收到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后進(jìn)行播放。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示[5]。

圖4 以太網(wǎng)數(shù)字語(yǔ)音廣播系統(tǒng)框圖

廣播系統(tǒng)終端的MCU LM3S8962將接收到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)I2S總線發(fā)送給語(yǔ)音解碼芯片MS6336進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換并播放,LM3S8962和MS6336的連接如圖5所示。為了完整還原出語(yǔ)音信號(hào),需要保證軟件模擬I2S信號(hào)時(shí)序嚴(yán)格精確,高低電平的轉(zhuǎn)換采用延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)。MS6336為16位D/A芯片,其I2S時(shí)序如圖6所示[5]。

圖5 LM3S8962與MS6336的連接圖

圖6 MS6336的典型I2S時(shí)序圖

該系統(tǒng)中的語(yǔ)音數(shù)據(jù)雙聲道,16位采樣,1個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)為4字節(jié),1個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)MCU發(fā)送給MS6336,數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖7所示[5]。

圖7 1個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程

軟件模擬I2S引腳的定義如下：

根據(jù)MS6336的I2S總線格式以及數(shù)據(jù)發(fā)送流程,軟件模擬I2S總線的步驟如下：

①根據(jù)語(yǔ)音數(shù)據(jù)采樣率及采樣位數(shù)計(jì)算得到SCK的值和WS的值(WS的值等于采樣頻率)。系統(tǒng)采樣率為44.1 kHz,則 SCK=2×44.1 kHz×103×16=1 411 200 Hz,WS=44 100 Hz。1個(gè)SCK時(shí)鐘周期 T=1/SCK=0.7 μ s。采用延時(shí)程序模擬SCK時(shí)鐘周期需要應(yīng)用示波器來(lái)精確延時(shí)時(shí)間。本系統(tǒng)中一個(gè)SCK周期的延時(shí)為delayI2S(2)。

②將WS、BCK和DATA均置為高電平。

③選擇左右聲道。首先發(fā)送左聲道數(shù)據(jù),將WS置低(若發(fā)送右聲道數(shù)據(jù)則將WS置高)。

④選擇高低字節(jié)。將左聲道數(shù)據(jù)以高低字節(jié)的順序發(fā)送,在發(fā)送高字節(jié)第1位數(shù)據(jù)之前先發(fā)送1個(gè)周期的串行時(shí)鐘。

⑤開始傳輸音頻數(shù)據(jù)(音頻數(shù)據(jù)的傳輸在SCK下降沿準(zhǔn)備數(shù)據(jù),在SCK的上升沿發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端)。將采樣點(diǎn)左聲道數(shù)據(jù)的高字節(jié)最高位送給SD,設(shè)置SCK為低電平,此時(shí)為SCK的下降沿,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。延時(shí)半個(gè)SCK周期以后將SCK置為高電平,此時(shí)SD線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端,延時(shí)半個(gè)SCK周期。依次將左聲道剩余位數(shù)據(jù)按照最高位的方式發(fā)送出去。

⑥當(dāng)將1個(gè)采樣點(diǎn)的左聲道的數(shù)據(jù)發(fā)送完以后,延時(shí)2個(gè)SCK周期,然后發(fā)送右聲道的數(shù)據(jù)(同左聲道數(shù)據(jù)的發(fā)送過(guò)程)。

根據(jù)以上的過(guò)程對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件模擬I2S總線傳輸音頻數(shù)據(jù)了。以上實(shí)現(xiàn)的是典型I2S時(shí)序模擬,而左對(duì)齊和右對(duì)齊2種格式只是時(shí)序稍有差異,模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程同典型I2S總線模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程基本相同。

編者注：完整模擬程序見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

結(jié) 語(yǔ)

在以太網(wǎng)數(shù)字語(yǔ)音廣播系統(tǒng)中應(yīng)用軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S總線時(shí)序,能夠成功地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的實(shí)時(shí)廣播,表明了軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S總線的可行性,為解決不支持I2S總線的MCU和各種I2S總線設(shè)備間的通信提供了一種可行的方法。但是,在應(yīng)用軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S的以太網(wǎng)數(shù)字語(yǔ)音廣播系統(tǒng)實(shí)時(shí)播放語(yǔ)音信號(hào)時(shí),存在一些噪聲,表明在采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2S的時(shí)序精確性上存在一些欠缺。

[1]王玥婷,毛敏.基于ADSP的I2S總線應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息 ,2007(1)：118-119.

[2]Philips Semiconductor.I2S BUS Specification[OL].1996[2010-04].http：//www.Semiconductor.Philips.com.

[3]李龍雨,馮志華.音頻總線I2S技術(shù)[J].信息技術(shù),2004,28(11)：23-25.

[4]周偉,王慧梅.基于FPGA和AD1836的I2S接口設(shè)計(jì)[J].世界電子元器件,2008(8).

[5]閆紅超,茍先太.嵌入式以太網(wǎng)數(shù)字語(yǔ)音廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(6)：99-101.