SSI接口技术及其在音频处理中的应用

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  引 言

  随着嵌入式系统的广泛应用,系统内串口通信的需求越来越高,串行数据传输的协议也多样化,常用的有SSI、SPI、I2C、UART等。其中,SSI是一种带有帧同步信号的串行数据协议。微处理器MCF5329中的SSI接口除了能用作一般的串行数据传输外,由于它带有的帧同步信号可用作左右声道数据的同步,支持两种音频总线接口(I2S和AC97接口),所以它还能用作音频数据的传输。

  TLV320DAC23是TI公司推出的高性能立体声高端编解码芯片,支持多种采样率和多种音频格式,并具有功耗低、封装小的特点,广泛应用于便携式数字音频处理系统中。

  1 同步串行接口SSI的工作原理

  Synchronous SerialInterface(SSI)是一个全双工的串行接口,允许芯片与多种串行设备通信。它是高精度绝对值角度编码器中一种较常用的接口方式,它采用主机主动式读出方式,即在主控者发出的时钟脉冲的控制下,从最高有效位(MSB)开始同步传输数据。SSI模块结构如图1所示。

 

  从图中可看出,SSI模块由发送电路、接收电路、串行时钟和帧同步时钟产生电路组成。发送电路和接收电路相互独立,但是共用串行时钟和帧同步时钟。

  1.1 SSI模块引脚信号描述

  SSLCLKIN:SSI时钟输入信号。

  SSLBCLK:SSI串行比特时钟。

  SSLMCLK:SSI串行主时钟信号,在SSI主模式下,

  该信号也作为过采样时钟信号。

  SSI_FS:SSI串行帧同步信号。

  SSLRXD:SSI串行接收数据信号。

  SSI_TXD:SSI串行发送数据信号。

  1.2 SSI的操作模式

  SSI有3种基本同步操作模式:普通模式、网络模式和门时钟模式。

  普通模式是最简单的模式,一帧内只能传输一个字,而且每一帧都需要帧同步信号来控制同步;网络模式主要用于多时隙的情况下,一帧内可以传输2个字到32个字不等;门时钟SSI_BCLK模式下,串行比特时钟SSI_BCLK指示了发送引脚或接收引脚上的有效数据,所以不需要帧同步信号。

  除了上述3种基本模式外,针对音频上的应用,SSI还支持两种衍生模式——I2S模式和AC97模式,分别用于传输I2S和AC97音频格式数据。

  1.3 SSI的初始化

  初始化SSI模块的正确顺序:

  ①上电或重启SSI(SSI_CR[SSI_EN]=0),即关闭SSI模块功能。

  ②配置SSI模块。涉及的寄存器包括控制寄存器SSI_CR、中断允许寄存器SSI_IER、发送配置寄存器SSI_TCR、接收配置寄存器SSI_RCR和时钟控制寄存器SSI_CCR。

  ③通过SSI_IER寄存器设置必要的中断或DMA。

  ④设置SSI_CR[SSI_EN]=1允许SSI模块功能。

  ⑤设置SSI_CR[TE/RE],开始发送/接收数据。

  1.4 SSI的工作过程

  (1)发送数据

  单通道时,数据从串行发送数据寄存器SSI_TX0中传到发送移位寄存器TXSR中,再通过串行发送引脚SSI_TXD发送出去,然后根据用户设置情况决定是否产生发送中断。如果发送缓冲区TXFIFOO被允许,则SSI_TX0继续从TXFIFOO中取数据,直到TXFIFOO中的数据全部被发送,再通过用户设置情况决定是否产生发送中断。双通道时,发送移位寄存器TXSR交替从SSI_TX0 和SSI_TXl中取出数据。

  (2)接收数据

  单通道时,数据从串行接收引脚SSI_RXD进来,由接收移位寄存器RXSR传输给接收数据寄存器SSI_RX0,再根据用户设置情况决定是否产生接收中断。如果接收缓冲区RXFIFOO被允许,则SSI_RX0将数据写入RXFIFOO,并继续从接收移位寄存器中获取数据。双通道时,接收移位寄存器RXSR交替将数据传输给SSI_RX0和SSI_RXl。

  2 音频编解码芯片简介

  TLV320DAC23是TI公司推出的一颗高性能立体声音频处理芯片(CODEC芯片),采用了多比特sigma-delta过采样技术,采样率可以从8 kHz到96 kHz,传输字长可选择为16位、20位、24位或32位;最大输出信噪比可达到100 dB;控制端口可兼容SPI、2-wire等协议;回放模式下功率为18 mw,省电模式下小于15μW;适用于便携式的数字音频处理。其功能模块框图如图2所示。

 

  2.1 控制接口

  控制接口用于对器件TLV320DAC23的寄存器编程,设置音频芯片的工作参数。它兼容两种模式:SPI三线模式和2一wire模式。

  MODE:模式选择引脚。为0时,采用2一wire模式;为1时,采用SPI模式。

  SCLK:控制端口串行数据时钟。

  SDI:控制端口串行数据输入。

  CS:控制端口输入锁存/地址选择。在SPI模式下,CS用于数据锁存控制;在2一wire模式下,CS定义了器件地址域的第7位。SPI模式下,一个控制字为16位,分为两部分:高7位为控制地址,低9位为控制字。16位的控制字由MSB位开始传输,每个比特在SCLK的上升沿被锁存,整个16位的控制字在最低位被CS锁存进TLV320DAC23。操作时序如图3所示。其中,B[15:9]为控制地址,B[8:O]为控制字。

 

  2.2 模拟接口

  模拟接口包括线输入、线输出和耳机输出。耳机输出可以驱动16Ω或32 Ω的耳机,音量增益为6 dB到一73 dB。

LLINEIN、RLINEIN:左、右声道输入。

  LOUT、ROUT:左、右声道输出。

  LHPOUT、RHPOUT:左、右声道耳机输出

  2.3 数字音频接口

  数字音频接口用于输入TLV320DAC23的D/A数据。

  BCLK:I2S串行比特时钟。主模式时BCLK为输出,从模式时BCLK为输入。

  DIN:I2S串行数据输入。

  LRCIN:字时钟信号(帧信号),用于控制左、右声道的数据。在主模式中,由TLV320DAC23产生该信号,在从模式中,由主设备(如DSP或MCU)产生该信号。

  TLV320DAC23支持4种音频接口模式:右对齐模式、左对齐模式、I2S模式和DSP模式。这4种模式都是最高有效位MSB在前,16到32位不同的字长(右对齐除外,它不支持32位)。图4是I2S模式下的数字音频接口时序,数据的MSB在LRCIN下降沿后的第2个BCLK上升沿开始传输。

 

  2.4 时钟接口

  MCLK:芯片主时钟信号。当TLV320DAC23作为主设备时,该信号由芯片自身产生;当TLV320DAC23作为从设备时,该信号由外部产生。

  CLKOUT:时钟输出信号。可以为MCLK或MCLK/2。

  3 基于MCF5329的音频驱动设计

  3.1 硬件电路

  TLV320DAC23与MCF5329的接口有两个:一个是控制接口,用于设置TLV320DAC23的寄存器,从而设置它的工作参数。由于MCF5329具有QSPI模块,它兼容SPI接口格式,所以TLV320DAC23的控制接口采用SPI模式。另一个是数字音频接口,用于传输TLV320DAC23的音频数据并控制数据的时序。由于MCF5329的SSI模块支持I2S音频格式,所以TLV320DAC23的数字音频接口采用I2S模式。


  在本设计中,由微控制器MCF5329提供时钟信号,所以将MCF5329设为主设备,TLV320DAC23作为从设备。具体连接如图5所示。

 

  3.2 软件设计

  音频播放的过程如下:程序检测到用户空间有需要播放的音频数据,便将音频数据拷贝到所建立的缓冲区中;然后通过DMA将缓冲区的音频数据传输到SSI模块的发送引脚SSI_TXD,发送引脚将数据发送至TLV320DAC23中,通过耳机播放出来。

  软件设计的流程如图6所示。其中,音频缓冲区被设置为一个固定大小的循环队列,其设置如图7所示。初始时,bufstart、audiostart、audiotail都指向缓冲区头。当用户空间有数据时,将数据拷贝到缓冲区并用audiotail指示数据尾部,数据的头部通过DMA引擎连接到SSI_TXD引脚,随着数据被SSI_TXD发送至TLV320DAC23,audiostart跟踪数据的头部。

 

 

  结 语

  本文分析了同步串行接口SSI的工作原理及过程,并通过与编解码芯片TLV320DAC23的通信详细介绍了SSI在音频处理中的应用。实践表明,SSI接口简单,使用灵活可靠。

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