嵌入式系統(tǒng)中I2S總線數(shù)據(jù)通信的軟件模擬※*

閆紅超

(西南交通大學電氣工程學院,成都 610031)

引 言

I2S(Inter-IC Sound Bus)是飛利浦公司針對數(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準,采用沿獨立的導線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設(shè)計[1],通過分離數(shù)據(jù)和時鐘信號,避免了時差誘發(fā)的失真。I2S總線簡單有效,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)一的接口標準,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I2S總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)的問題。

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

1 I2S總線規(guī)范

I2S為三線總線,3個信號分別為[1-3]：

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

②幀時鐘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SD,用于傳輸二進制補碼表示的音頻數(shù)據(jù)。

I2S格式的信號無論有多少位有效數(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個典型的I2S信號時序如圖1所示[2]。

圖1 I2S總線典型時序圖

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信號相對于SCK和WS位置的不同,分為左對齊和右對齊2種格式,如圖2和圖3所示。

圖2 16位有效位數(shù)的左對齊格式

圖3 16位有效位數(shù)的右對齊格式

在上面2種數(shù)據(jù)傳輸格式中,當WS為“1”時傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù),當WS為“0”時傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)。為了保證數(shù)字音頻信號的正確傳輸,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),將語音信號以標準IP包的形式在以太網(wǎng)上進行傳送,以實現(xiàn)語音廣播功能。該系統(tǒng)在PC機端通過麥克風采集語音數(shù)據(jù),然后將采集到的語音數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送給嵌入式終端,嵌入式終端將接收到的語音數(shù)據(jù)進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換后進行播放。系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖4所示[5]。

圖4 以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)框圖

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

圖5 LM3S8962與MS6336的連接圖

圖6 MS6336的典型I2S時序圖

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

圖7 1個采樣點數(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)語音數(shù)據(jù)采樣率及采樣位數(shù)計算得到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SCK時鐘周期 T=1/SCK=0.7 μ s。采用延時程序模擬SCK時鐘周期需要應(yīng)用示波器來精確延時時間。本系統(tǒng)中一個SCK周期的延時為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個周期的串行時鐘。

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,此時為SCK的下降沿,數(shù)據(jù)準備好。延時半個SCK周期以后將SCK置為高電平,此時SD線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端,延時半個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當將1個采樣點的左聲道的數(shù)據(jù)發(fā)送完以后,延時2個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)送過程)。

根據(jù)以上的過程對每個采樣點的數(shù)據(jù)進行處理,就可以實現(xiàn)通過軟件模擬I2S總線傳輸音頻數(shù)據(jù)了。以上實現(xiàn)的是典型I2S時序模擬,而左對齊和右對齊2種格式只是時序稍有差異,模擬實現(xiàn)過程同典型I2S總線模擬實現(xiàn)過程基本相同。

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

結(jié) 語

在以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)中應(yīng)用軟件模擬實現(xiàn)I2S總線時序,能夠成功地實現(xiàn)語音信號的數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)語音信號的實時廣播,表明了軟件模擬實現(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)用軟件模擬實現(xiàn)I2S的以太網(wǎng)數(shù)字語音廣播系統(tǒng)實時播放語音信號時,存在一些噪聲,表明在采用軟件模擬實現(xiàn)I2S的時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[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)字語音廣播系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(6)：99-101.