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引言 USB總線(xiàn)協(xié)議經(jīng)歷了從USB1．1到USB2．0再到目前的USB OTG(USB On-The-Go)的發(fā)展過(guò)程，在USB不斷發(fā)展完善的同時(shí)，越來(lái)越多的USB產(chǎn)品大量上市�，F在的PC機通過(guò)USB Hub設備和多個(gè)USB控制器，能同時(shí)支持擴展的USB設備已經(jīng)達到數百個(gè)。 在USB總線(xiàn)傳輸中，任何一次USB的數據傳輸都必須由主機來(lái)發(fā)起和控制，所有的USB外設都只能和主機建立連接，任何兩個(gè)外設之間或者兩個(gè)主機之間無(wú)法直接通信。目前，扮演主機角色的大多是個(gè)人電腦(PC)。 USB協(xié)議制定時(shí)，為了方便不同設備的開(kāi)發(fā)商基于USB進(jìn)行設計，定義了不同的設備類(lèi)來(lái)支持不同類(lèi)型的設備�，F在市場(chǎng)上的USB產(chǎn)品，通過(guò)調查會(huì )發(fā)現它們主要應用了以下設備類(lèi)： USB_DEVICE_CLASS_HUMANINTERFACE 鍵盤(pán)、鼠標等 USB_DEVICE_CLASS_STORAG U盤(pán)、活動(dòng)硬盤(pán)、數碼相機等 USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE力回饋游戲桿、方向盤(pán)等 USB_DEVICE_CLASS_POWER 風(fēng)扇、LED臺燈、手機充電等 USB_DEVICE_CLASS_PRINTER 打印機 從市場(chǎng)上看，雖然在USB標準中定義了USB_DE-VICE_CLASS_AUDIO，但是很少有此類(lèi)設備問(wèn)世。目前稱(chēng)為USB音箱的設備，大都使用 USB_DEVICE_CLASS_POWER，僅僅將USB接口作為電源使用。信號仍然需要3．5 mm立體聲音頻線(xiàn)連接使用，連接相對復雜。這樣沒(méi)有體現USB設備連接簡(jiǎn)單，操作方便的優(yōu)勢，且采用模擬信號傳送會(huì )產(chǎn)生一定的信號失真，影響音質(zhì)。 本文為了設計實(shí)現一個(gè)完全基于USB協(xié)議的USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設備，采用一根USB連接線(xiàn)，在設備中不同的端點(diǎn) (endpoint)實(shí)現音頻信號的輸入，輸出包括相關(guān)按鍵控制，并重點(diǎn)討論如何解決由于USB特殊的總線(xiàn)拓撲結構造成的信號同步問(wèn)題。 1 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO介紹 為簡(jiǎn)化USB設備的開(kāi)發(fā)過(guò)程，USB提出了設備類(lèi)的概念。其中的音頻設備類(lèi)(USB_DEVICE_CLASS_AU-DIO)是目前為止使用比較少的類(lèi)型。 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO是專(zhuān)門(mén)針對USB音頻設備定義的一種專(zhuān)用類(lèi)別，它不僅定義了音頻輸入／輸出端點(diǎn)的標準，還提供了音量控制、混音器配置、左右聲道平衡，甚至包括對支持杜比音效解碼設備的支持，功能相當強大。不同的開(kāi)發(fā)者可以根據不同的需求對主機列舉自己的設備結構，主機則根據列舉的不同設備結構提供相應的服務(wù)。 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設備采用USB傳輸模式中的Isochronous transfers模式，Isochronous trans-fers傳輸模式是專(zhuān)門(mén)針對流媒體特點(diǎn)的傳輸方法。它依照設備在鏈接初始化時(shí)列舉的參數，保證提供穩定的帶寬給采用該模式的設備或端點(diǎn)。由于對實(shí)時(shí)性的要求，它不提供相應的接收／應答和握手協(xié)議。這很好地適應了音頻數據流量穩定、對差錯相對不敏感的特點(diǎn)。 2 平臺介紹與系統架構 開(kāi)發(fā)平臺采用ColdFire MCF52223作為控制MCU。該芯片提供32 KB SRAM，256 KB Flash，具備USB-OTG模塊，80 MHz主頻下達到76Dhrystone 2．1 MIPS，同時(shí)板載ML2308作為音頻播放模塊。詳細資料可以參閱其*****http：／／www．hhcn． com/chinese/coldfire／HHCF52223-R1．htm。 主要硬件模塊結構和軟件模塊結構分別如圖1、圖2所示。 
3 同步問(wèn)題 由于USB總線(xiàn)拓撲結構的特殊性，所有數據傳輸都由主機(PC)發(fā)起，在設備插上USB接口并完成初始化、列舉等步驟以后，主機會(huì )按照設備列舉的要求進(jìn)行流量分配。USB全速模式總線(xiàn)以1 ms為1幀。由于采用Isoch-ronous transfers模式，為測試方便，音頻格式采用8 k／s采樣率，8位量化。因此單聲道每幀數據量為：
MCF52223通過(guò)USB D驅動(dòng)在接收并解出USB數據包里的音頻數據后，存入內部開(kāi)辟的緩存中。ML2308每個(gè)聲道具有64字節緩存，當緩存滿(mǎn)、緩存一半和緩存為空時(shí)會(huì )分別發(fā)送中斷信號Full、Mid、 Empty給MCF52223，而MCF52223可以根據不同的中斷信號對ML2308進(jìn)行寫(xiě)入新數據工作。 因此，在設備的寫(xiě)入端數據按照PC上的USB的時(shí)鐘進(jìn)行傳輸，而在設備輸出端數據按照ML2308的時(shí)鐘進(jìn)行操作。ML2308時(shí)鐘來(lái)自板載晶振，這兩個(gè)時(shí)鐘不可避免存在一定誤差，而且根據測試，不同PC的USB總線(xiàn)時(shí)鐘也有微小差別。這些差異會(huì )造成設備內部緩存的音頻數據不斷被消耗殆盡，或者不斷增加而最終溢出。因此，需要一個(gè)易于實(shí)現且對資源消耗量較小的方法來(lái)同步輸入與輸出信號。由于這種差異是不確定的，該算法需要一定的自適應能力。 4 自適應軟件鎖相環(huán)設計 之前采用簡(jiǎn)單的緩存門(mén)限控制方法判斷是否需要插值，即當緩存高于某門(mén)限時(shí)，丟棄一個(gè)PCM樣點(diǎn)。而當低于某一門(mén)限時(shí)，插入一個(gè)PCM樣點(diǎn)，由于時(shí)鐘速度差異的長(cháng)期固有性，在插入／丟棄一個(gè)PCM樣點(diǎn)后，緩存數量仍然可能繼續減少或增加，從而造成程序無(wú)規律的爆發(fā)式的插入或丟棄數據操作，產(chǎn)生不可接受的噪音。 因而在算法設計時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)。 操作的穩定性：不能有對數據突發(fā)性的操作。 操作的分散性：要盡量平均的控制信號，把插入／丟棄產(chǎn)生的失真平均化。 資源消耗量�。阂m應嵌入式系統成本低廉、片上存儲、運算資源不是很富裕的客觀(guān)條件。 音頻的實(shí)時(shí)性：聲音對實(shí)時(shí)性要求較高，不能出現停頓、明顯延遲等情況。 因此，采用一種插入／丟棄樣本間隔平均化的自適應模糊控制算法進(jìn)行設計。 針對兩次插值／丟棄操作之間的樣點(diǎn)數進(jìn)行控制，而非對樣點(diǎn)本身，在每次插值／丟棄操作后進(jìn)行速率匹配判斷，修改插值／丟棄間隔。由于通常這種時(shí)鐘差異在千分之一量級，插入／丟棄操作間隔也在千樣點(diǎn)量級，大大減少了頻繁的判斷操作。算法結構如圖3所示。
5 算法實(shí)現 由于每臺電腦以及每塊開(kāi)發(fā)板的時(shí)鐘都有誤差，所以每次連接設備都需要檢查兩者時(shí)鐘速率關(guān)系，實(shí)現該功能的關(guān)鍵代碼如下：
6 測試 (1)基本性能 關(guān)閉軟件鎖相環(huán)，系統在緩存中存放240個(gè)sample開(kāi)始播放。而每次當程序播放約45 s時(shí)，由于緩存消耗殆盡，語(yǔ)音會(huì )自動(dòng)中斷，無(wú)法播放。 開(kāi)啟軟件鎖相環(huán)，程序可以無(wú)時(shí)間限制運行，達到設計目的。 (2)緩存需求測試 在播放至少10 min穩定以后，利用變量rangel和range2跟蹤緩存內數據數量波動(dòng)范圍，記錄最大值和最小值，分12次測試，如圖4所示。
可見(jiàn)，在啟動(dòng)軟件鎖相環(huán)以后，緩存中數據量最大浮動(dòng)范圍在192～250 sample之間。因此，為保證數據不溢出，只需要約60字節空間作為緩存就能維持設備正常工作。 (3)估算時(shí)鐘偏差測試 在不同電腦上運行10 min以上，提取插入／丟棄數據間隔，取倒數可以得到穩定后設備和USB時(shí)鐘偏差率。由圖5可見(jiàn)，總體偏差在0．001～0．003以?xún)�，基本符合預期。
(4)穩定性測試 運行10 min以后，讀取當前設備緩存內數據量。由于每次寫(xiě)入／讀取8個(gè)sample，而終止程序進(jìn)行數據提取是隨機的，無(wú)法確定緩存剛才由USB寫(xiě)入還是由 ML2308讀取，因此在240上下8個(gè)sample以?xún)榷际峭耆项A期的。由圖6可見(jiàn)，程序能準確地將緩存中數據量控制在240個(gè)sample左右，完全達到設計目標。
結語(yǔ) 基于插值算法的自適應軟件鎖相環(huán)，適用于針對USB_Audio_Class_Device的時(shí)鐘同步需求。它在達到設計要求的前提下，對嵌入式系統內存和MIPS占用極低，非常適合在利用USB總線(xiàn)作為音頻數據傳輸，或通信雙方存在一定的不確定速率的誤差且需要設備自主完成數據同步的設備中使用。 參考文獻 1. Universal Serial Bus Specification 2000 2. MCF52223 ColdFire Integrated Microcontroller Reference Manual Rev.3 2007 3. 涂望明.魏友國.段道聚 嵌入式U S B從設備驅動(dòng)程序設計 2007(5) 4. Vahid Frank.Givargis Tony 嵌入式系統設計 2004 作者：電子科技大學(xué) 羅巍 李廣軍 郭志勇 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用 》2009 (6) |
