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[电子] 采用I²S接口为MCU系统中的数字音频提升质量

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发表于 2019-2-16 | |阅读模式
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采用I²S接口为MCU系统中的数字音频提升质量
I²S(Inter-IC Sound)界面最初定义为二十多年前用于CD播放器,但经过多次修改和增强,现在已成为任何支持音乐的数字系统的重要元素。与用于MCU的其他串行接口相比,I²S是一个更具延迟敏感性的接口,因为接口的目的是可靠地传输高保真音频。要使用I²S,您通常需要选择一个专门支持该标准的微控制器(MCU),尽管存在使用标准MCU串行端口的软件驱动实现。将支持I²S的MCU与外设芯片(如以音频为中心的数据转换器)相结合,您可以在基于MCU的系统中提供高质量的数字音频。

I²S接口由飞利浦定义。由于首字母缩略词的相似性,许多人认为它在技术上与I²C接口有关。实际上,唯一的联系是飞利浦定义了两者。 I²S速度更快,包括完全不同的信令结构,并且严格定义用于传输双声道音频数据。

I²S实现至少包括三条信号线 - 位时钟,字时钟和多路复用数据信号。一些实现还包括主时钟信号和第二数据线。该接口被定义为允许使用用于立体声应用的脉冲编码调制(PCM)编码方案来传输两个32位音频通道。

图1,由Microchip提供,显示了典型的I²S实现方案。诸如A/D转换器(ADC)之类的源以数字方式将音频传输到MCU。 MCU又可以将音频流传输到D/A转换器(DAC)以输出到扬声器。

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图1:Microchip的这张图显示了一个典型的音频I²S系统将ADC与系统MCU连接,并将MCU连接到输出侧的DAC。

MCUI²S支持

让我们来看看一些包含I²S支持的MCU选项。例如,德州仪器(TI)在其Stellaris MCU系列的几个分支上提供I²S,包括Stellaris 9000 MCU。 Stellaris MCU集成了32位ARM Cortex-M3 CPU内核。 9000子系列的时钟频率高达80 MHz。

同样,Microchip仅在基于MIPS CPU内核的32位PIC32系列MCU上提供I²S支持。现成的产品系列均以40 MHz的最高时钟速度运行,并具有32至128 KB的集成闪存。

飞思卡尔可能提供最广泛的支持I²S的MCU,可选择i.MX-,Kinetis-,PowerPC-和Coldfire-family选项。 i.MX产品被称为嵌入式处理器而不是MCU,尽管它们集成了内存。 i.MX23/25处理器基于ARM9 CPU,i.MX35处理器基于ARM11 CPU,i.MX51/53处理器基于ARM Cortex-A8内核。在可用IC范围内,支持的最大时钟速度从100 MHz开始,并扩展到400 MHz以上。

在MCU特定领域,飞思卡尔主要支持Kinetis系列MCU中的I²S,这些MCU基于ARM Cortex-M4 CPU,时钟速度最高可达100 MHz。 Cortex-M4集成了针对DSP应用而优化的数学功能,包括音乐或以音频为中心的应用,此类产品有时也称为数字信号控制器(DSC),使具有数学功能的产品与标准MCU区分开来。

恩智浦还在广泛的基于ARM的MCU上支持I²S。该列表包括基于ARM7,ARM9,Cortex-M3和Cortex-M4 MCU的产品。同样,意法半导体的STM32系列支持基于Cortex-M3和-M4的MCU,支持I²S,时钟频率范围为168 MHz。

将I²S添加到16位MCU

通常,MCU供应商仅在32位MCU上支持I²S,因为高端音频和音乐应用通常要求32位CPU提供的性能。但是16位MCU性能大幅提升,您可能会发现自己需要将这样的MCU连接到以音频为中心的外设,如立体声ADC。

您可以将MCU支持用于诸如串行外设接口(SPI)之类的接口以及软件和一些外部逻辑来创建功能性I²S端口。例如,TI已发布了一份应用笔记(SLAA449A-将I²S器件连接到MSP430器件),描述了如何在16位MSP430系列MCU上实现I²S(图2)。

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图2:您可以使用标准串行端口和一些外部逻辑在16位MCU上实现I²S支持,如TI MSP430的情况所示。

I²S实现的部分复杂性是需要支持多路复用数据来传输两个立体声通道。该标准规定左右声道数据由字时钟发信号通知有效 - 上升沿有一个通道,下降沿有一个通道。图2中描述的电路使用4位计数器和一些离散逻辑来实现5位计数器,而不是产生精确传输I²S链路的16位字所需的信号。
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 楼主| 发表于 2019-2-16 |
I²S外围IC

已经涵盖了I²S链路的MCU端,让我们来看看在基于I²S的设计中可能使用的外设IC类型。该列表肯定从数据转换器开始,包括以音频为中心的模型。音频目标数据转换器在几个方面与标准产品不同。音频转换器通常支持更高的精度和更快的采样率。此外,音频设备通常在一个IC上集成两个用于立体声支持的通道。例如,AKM Semiconductor提供专为音频应用设计的16位和24位ADC。具体示例包括24位AK5358和16位AK5701。 delta-sigma转换器可以从两个立体声输入中进行选择,并提供高达48 kHz的采样率。 ,TI和其他公司也出售具有I²S支持的ADC。

您可以从ADI公司,Maxim Integrated Products公司,AKM Semiconductor公司和TI公司获得基于I²S的DAC。例如,ADI公司提供20位AD1854立体声DAC和24位AD1852立体声DAC。 sigma-delta转换器支持高达192 kHz的采样率。

并非所有音频应用都需要DAC来处理音频输出。例如,一些D类线性放大器广泛用于具有相对小的扬声器的便携式设备中。有些D类放大器不使用DAC。例如,恩智浦提供TFA9879线性放大器,可接受I²S输入并驱动扬声器。放大器采用数字域中的音频流并将其转换为脉冲宽度调制(PWM)流。然后在模拟域中,与H桥电路组合的二阶反馈回路驱动扬声器。

恩智浦IC是单调放大器,但您也可以购买立体声D类放大器。例如,ADI公司提供SSM2518立体声线性放大器。然而,与恩智浦不同,ADI公司选择将其设计基于DAC和sigma-delta调制器,以优化音频质量。

TI,Cirrus Logic,NJR等公司也提供基于I²S的四通道放大器。图3描述了TI TAS5711的框图。 IC使用PWM电路和H桥来驱动四个输出而不是DAC。典型应用可能是支持后置声道音频的MPEG视频流的音频处理。

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图3:四通道TI TAS5711线性放大器链接到MCU通过I²S并使用PWM转换器和H桥电路来驱动扬声器。

在集成方面提升一个级别,您可能会发现专用音频编解码器IC可能在复杂的音频应用程序中发挥最佳性能。例如,Cirrus Logic为个人计算机多媒体系统等应用提供CS4205音频编解码器。该IC集成了独立的18位ADC,用于麦克风和线路输入。集成的20位DAC驱动输出混频器。

Cirrus编解码器使用以PC为中心的AC-Link接口来链接主机处理器和编解码器。但编解码器还支持三个同步I²S输入和一个I²S输出,用于连接其他数字音频外设功能。

特定于应用的实现

到目前为止,我们专注于使用I²S相对于纯音频为中心的设计,其中音频支持是应用要求的核心。但I²S也广泛用于音频支持是必要但次要功能的产品。您还可以找到专为某些终端产品设计的基于I²S的IC。

考虑Nuvoton技术。该公司在称为ChipCorder的ISD15100产品系列中制造了一对IC(图4)。 ChipCorder IC实现了数字录音和播放设备(如数字应答机)所需的所有功能。
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图4:Nuvoton的ChipCorder IC系列包括音频记录和回放所需的所有功能,并提供到主机MCU的I²S链接。

这些IC包括数字音频压缩硬件,集成闪存以及专用的模拟和数字音频信号路径。 ISD15108 IC可以存储8分钟的音频,ISD15116 IC可以在集成的Flash中存储16分钟的音频。这两个图都是指以8 kHz采样的音频,并使用4位ADPCM进行编码。 Nuvoton IC支持多种压缩格式选择,包括2至5位ADPCM,6至8位μ律或差分μ律,以及8位,10位或12位PCM。

IC包括模拟音频输入和差分音频输入。您可以使用I²S或SPI将数字音频传输到IC或从IC传输数字音频,尽管前者提供更高的保真度。该IC还包括一个可以直接驱动小型扬声器的D类音频放大器。

特定应用的故事继续发生在片上系统(SoC)产品中,该产品集成了强大的处理内核,外设和接口,如I²S。在讨论SoC时,我们首先讨论了MCU,然后是使用I²S连接到MCU的外设,现在是SoC,除了片上SoC功能外,还需要I²S连接外设。例如,麦克雷尔通过其KSZx692系列SoC针对一系列以通信为中心的应用(图5)。许多目标应用需要高端音频支持,例如支持多媒体的住宅网关。

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图5:Micrel的KSZx692系列SoC针对以通信为中心的应用,如多媒体住宅网关,提供I²S接口,用于音频支持。

Micrel SoC基于250 MHz ARM9内核,包括能够支持100 Mbit/s数据的双以太网MAC(媒体访问控制器)率。还有USB端口甚至PCI接口。包含I²S接口,支持16,18,20和24位音频的录制和播放。

USB 3.0应用程序

I²S在新的赛普拉斯半导体SoC中也出现了不同寻常的地方。 CYUSB3014 USB控制器支持USB 3.0标准中定义的新的5 Gbps超高速数据传输模式。该性能有望使USB能够在更广泛的多媒体应用中服务,从高端多媒体播放器到医疗和工业系统。

SoC实际上集成了200 MHz ARM9 CPU内核和512 KB的SRAM。 IC包括一系列外围设备。 I²S接口旨在支持外部编解码器,就像您可以将此类编解码器连接到标准MCU一样。

现在应该清楚的是,您需要在规范开发过程的早期阶段考虑项目中是否需要I²S。您可能不会使用纯粹以音频为中心的产品,但添加音频支持可以大大增加许多系统设计的价值主张。 I²S是支持高质量音频的最简单方式,也许增加了产品设计取得广泛成功的机会。但是,在大多数情况下,您必须从包含I²S支持的MCU或SoC开始,以实现最佳设计。此外,还要对市场上的I²S集成电路进行全面审查。您可能会发现一个具有特定于应用程序的功能,可以大大简化您的设计周期。
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