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引言 MK60N512是飛思卡爾公司Kinetis系列微控制器集成度最高的芯片，它基于ARM Cortex—M4內核，具有功耗低、性能高、成本低的特點(diǎn)，旨在為嵌入式音頻、汽車(chē)電子和電源管理等提供靈活的解決方案。MAX5556是美信公司一款低功耗、立體聲音頻數／模轉換器(DAC)，支持標準I2S總線(xiàn)協(xié)議，采樣精度最高可達24位，采樣率為2～50 kHz。采用∑-△調制技術(shù)，能夠對量化噪聲進(jìn)行有效整形，減小量化噪聲。 音頻處理系統中，采用DMA實(shí)現音頻數據在微控制器內的傳輸，能減少內核的參與，降低內核負擔。系統的數據傳輸通道如圖1所示，音頻信號暫存在緩存區中，由DMA傳輸到I2S總線(xiàn)模塊的發(fā)送電路。為了保持音頻信號的連續性，采用“乒乓RAM”設計緩存。圖中A／B表示乒乓RAM的編號。 發(fā)送電路和接收電路均有兩個(gè)FIFO，寬度為32位，深度為15。對發(fā)送數據寄存器TX0／TX1和接收數據寄存器RX0／RX1的寫(xiě)入與讀取可以訪(fǎng)問(wèn)這些FIFO。發(fā)送邏輯將TX FIFO中的數據轉移出來(lái)，裝入發(fā)送串行移位器TXSR，然后從STXD端口串行發(fā)送；接收邏輯將數據從輸入的數據幀中轉移出來(lái)后，將它們放入接收RXFIFO的入口。當TX FIFO中空缺數目或RX FIFO數據達到設定的數目時(shí)，會(huì )觸發(fā)中斷或者DMA傳輸。 1．2 eDMAMK60N512的eDMA高度可編程，數據傳輸高度優(yōu)化而幾乎不需要CPU內核干預。與普通的DMA不同，eDMA的傳輸由主循環(huán)(Major Loop)和輔循環(huán)(MinorLoop)組成。主循環(huán)由外設自動(dòng)觸發(fā)，每次主循環(huán)結束后源地址、目的地址都會(huì )按照TCDn_SOFF、TCDn_DOFF寄存器中的值自動(dòng)偏移而不需要CPU去修改。除了所有傳輸結束后產(chǎn)生中斷申請外，eDMA還支持“半中斷”，即主循環(huán)完成總循環(huán)次數一半時(shí)產(chǎn)生中斷申請，這特別適合“乒乓RAM”設計。 2 MAX5556介紹 2．1 引腳定義和內部結構MAX5556內部結構如圖3所示，MCLK為主時(shí)鐘，LRCLK為左／右聲道選擇時(shí)鐘，SCLK為外部串行時(shí)鐘，SDATA為串行音頻輸入，OUTL／OUTR為左／右聲道輸出。串行接口模塊獲取音頻數據后，由內置數字插值器、濾波器對其進(jìn)行濾波，以去除基帶音頻信號攜帶的諧波噪聲；音頻數據經(jīng)∑-△調制器調制后由DAC轉換，輸出的模擬信號經(jīng)由內部的模擬低通濾波器進(jìn)行濾波，衰減高頻量化噪聲；內置輸出緩存器能驅動(dòng)大于3 kΩ的負載電阻和高達100 pF的負載電容；最終模擬音頻信號從OUTL／OUTR輸出。 2．2 工作模式MAX5556支持外部串行時(shí)鐘模式和內部串行時(shí)鐘模式。在一個(gè)LRCLK周期內，若檢測到有效的SCLK，則進(jìn)入外部串行時(shí)鐘模式，SCLK作為采樣時(shí)鐘；如果檢測不到有效的SCLK，則進(jìn)入內部串行時(shí)鐘模式，采樣時(shí)鐘由內部生成。內部采樣時(shí)鐘的頻率根據檢測到的MCLK與LRCLK的比值確定，若MCLK與LRCLK的比值為384，則內部采樣時(shí)鐘頻率為48×fLRCLK；若MCLK與LRCLK的比值為256或512，則內部采樣時(shí)鐘頻率為32× fLRCLK。 2．3 數據格式MAX5556支持左對齊16位或者24位數據格式。當其工作在外部串行時(shí)鐘模式，或工作在內部串行時(shí)鐘模式，且同時(shí)MCLK與LRCLK的比值為384時(shí)，有效數據為24位。如果數據不足24位，低位補零；超過(guò)24位的數據會(huì )被忽略。當工作在內部串行時(shí)鐘模式，且MCLK與LRCLK的比值為256或512時(shí)，有效數據為16位。MAX5556數據格式如圖4所示。每次LRCLK沿變化后的第二個(gè)SCLK上升沿時(shí)，SDATA上數據開(kāi)始有效，出現最高有效位(MSB)；24個(gè)或者16個(gè)時(shí)鐘周期后出現最低位有效位(LSB)。LRCLK為0時(shí)，數據進(jìn)入左聲道DAC；LRCLK為1時(shí)，數據進(jìn)入右聲道DAC。 3 系統硬件電路設計MK60N512通過(guò)I2S總線(xiàn)將音頻數據傳輸給MAX5556進(jìn)行數模轉換，輸出模擬音頻信號由濾波電路進(jìn)行濾波，同時(shí)提高帶負載能力。I2S總線(xiàn)模塊工作在I2S總線(xiàn)主模式下，發(fā)送電路的STCK、STFS和STXD端口對應的引腳分別為BCLK、TX_FS和TXD，I2S總線(xiàn)模塊的主時(shí)鐘通過(guò)MCLK引腳輸出。硬件電路如圖5所示。由于MK60N512工作在3．3 V電壓下，而MAX5556工作電壓為5 V，為了提高數據傳輸的穩定性，接口均采用上拉方式。 LM358在5 V單電源供電時(shí)有效輸出為1．5～3．5 V，而MAX5556的輸出可以達到0～5 V，因而在輸入端使用R1和R2對原始信號進(jìn)行衰減，防止輸出信號出現削頂失真。 4 軟件設計 4．1 “乒乓RAM”設計MK60N512的I2S總線(xiàn)模塊在I2S總線(xiàn)模式下支持雙聲道，音頻數據在FIFO中交錯存放，因此在緩存中的音頻數據也需要交錯存放。數據緩存如圖6所示，其中L／R表示音頻左／右聲道。每個(gè)音頻數據占用4個(gè)字節空間，緩存BUFF_A、BUFF_B在物理地址上是連續的，它們大小均為512字節，共存儲256個(gè)音頻數據。當DMA從緩區BUFF_A中讀取數據時(shí)，CPU向緩存區BUFF_B中存儲下一組音頻信號；當DMA將BUFF_A中的數據全部傳輸結束后，將DMA通道源地址切換到BUFF_B，同時(shí)CPU向BUFF_A存儲數據，如此反復。 4．2 I2S總線(xiàn)模塊的配置配置I2S總線(xiàn)模塊工作在I2S總線(xiàn)主模式下，默認一幀數據長(cháng)度是32位，而且為左對齊模式；使用幀同步TX_FS作為聲道選擇時(shí)鐘，且同步幀長(cháng)度為一個(gè)字。由于MAX5556的SCLK信號由MK60N512提供，MAX5556工作在外部串行時(shí)鐘模式，有效數據位是24位，因而配置發(fā)送數據位為24位。按照MAX5556的數據格式，數據需要在SCLK下降沿輸出從TXD數據，且需要發(fā)送早期幀同步，讓數據延遲一個(gè)采樣時(shí)鐘，還需要根據音頻采樣頻率設置幀頻率。 使能TX FIFO和其DMA請求，當FIFO中空缺數達到8時(shí)，啟動(dòng)一次DMA主循環(huán)。圖7為音頻數據在TXFIFO移動(dòng)過(guò)程。圖7(a)中FIFO為滿(mǎn)，隨著(zhù)發(fā)送移位邏輯從FIFO從取出一個(gè)數據后，FIFO產(chǎn)生一個(gè)空缺，如圖7(b)所示。當發(fā)送8次數據后，FIFO空缺數達到8個(gè)，則觸發(fā)DMA主傳輸，如圖7(c)所示。 I2S總線(xiàn)的初始化代碼略——編者注。 4．3 eDMA配置當TX FIFO空缺數達到8時(shí)，觸發(fā)DMA主循環(huán)，故每次主循環(huán)傳輸數據數目是32字節，每次主循環(huán)源地址偏移也是32字節，完成緩存區1 024字節數據傳輸需要32次主循環(huán)。第16次主循環(huán)結束，DMA已經(jīng)將BUFF_A中所有數據傳輸完畢，DMA源地址指向BUFF_B，并產(chǎn)生“半中斷”請求，CPU開(kāi)始向BUFF_A中存儲下一組512字節音頻數據。 當BUFF_B中數據傳輸結束后，源地址恢復到BUFF_A起始地址，并產(chǎn)生中斷請求，CPIJ響應中斷并向BIJFFB中存儲下一組512字節音頻數據�？梢钥闯�，在傳輸過(guò)程中，CPU只需要響應兩次中斷請求，然后向緩存區寫(xiě)入音頻數據。每次主循環(huán)結束后源地址偏移32字節，完整的傳輸結束后，源地址恢復到BUFF_A起始地址，這些操作都是通過(guò)eDMA模塊自己完成的。 DMA的初始化代碼略——編者注。 5 測試結果圖8為T(mén)X_FS和TXD的波形圖，通道1為T(mén)X_FS，通道2為T(mén)XD。左／右聲道發(fā)送的音頻數據均是0x555。圖8(a)的發(fā)送幀頻率為48 kHz，圖8(b)的為44．1 kHz。從圖8中可以看出，數據長(cháng)度為24位，左對齊模式，而且數據與幀同步有一個(gè)采樣時(shí)鐘的延時(shí)，符合MAX5556的數據格式和時(shí)序。 結語(yǔ)本文設計了基于Kinetis MK60N512和MAX5556的立體聲音頻接口，MK60N512將音頻數據按照MAX5556的數據格式和時(shí)序通過(guò)I2S總線(xiàn)傳輸給MAX5556，MAX5556內部DAC將數據轉化為模擬信號輸出，并由濾波電路對音頻信號進(jìn)行濾波，同時(shí)提高帶負載能力。使用MK60N512內部高性能可配置的eDMA提高系統數據傳輸速率，降低CPU的負擔。測試表明，系統能輸出立體聲音頻，輸出頻率可調，可以為Kinetis系列微控制器音頻解決方案提供參考。 |
