USB音頻設備類(lèi)的音頻信號同步解決方案

本文針對使用USB_Audio_Class進(jìn)行語(yǔ)音設備設計時(shí)需要解決的音頻信號同步問(wèn)題進(jìn)行了介紹，并給出了相應的解決方法和部分源代碼。

　　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官方網(wǎng)站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。