Windows CE下基于TSC2101的音頻系統設計

Windows CE是一個(gè)開(kāi)放的、可裁剪的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統。它具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內核體積小的特點(diǎn)，所以被廣泛用于各種嵌入式智能設備的開(kāi)發(fā)，其應用涉及工業(yè)控制、信息家電、移動(dòng)通信、汽車(chē)電子、個(gè)人電子消費品等各個(gè)領(lǐng)域，是當今應用最多、增長(cháng)最快的嵌入式操作系統。而在這些嵌入式應用中，音頻模塊成為了大多數產(chǎn)品不可或缺的一部份。本文針對Windows CE操作系統，構造了基于Intel Xscale PXA272和TSC2101音頻芯片的音頻系統，并簡(jiǎn)要介紹了其實(shí)現方法。

音頻系統的硬件實(shí)現

本設計中的音頻驅動(dòng)采用Unified Audio模型實(shí)現，基于Intel Xscale PXA272處理器和TI 的TSC2101音頻芯片，使用了基于I2S（Inter-IC Sound）總線(xiàn)的音頻系統體系結構，系統原理圖如圖1所示。Intel Xscale PXA272芯片集成了I2S控制器，通過(guò)I2S總線(xiàn)處理音頻數據。其他信號（如控制信號）則需要單獨傳輸，在本設計中將Xscale PXA272芯片的SSP串口配置為SPI串口以實(shí)現控制信號的傳輸。

圖1 系統原理圖

I2S是菲利浦公司提出的串行數字音頻總線(xiàn)協(xié)議。PXA272的I2S控制器控制了I2S鏈接，I2S控制器由數據緩沖、狀態(tài)和控制寄存器、計數器組成。它們將系統內存和外設的音頻解碼芯片（TSC2101）連接，產(chǎn)生同步音頻。播放音頻文件時(shí)，I2S控制器通過(guò)I2SLINK連接將系統內存中數字化的聲音樣本發(fā)送到外設的TSC2101音頻解碼芯片中，然后由TSC2101芯片的數模轉換器將數字音頻信號轉換成模擬信號。對于錄音來(lái)說(shuō)，I2S控制器從外部的TSC2101音頻芯片接收到數字信號，然后將它們存儲到系統內存中。I2S提供了普通I2S和MSB-justified-I2S格式。通過(guò)5根引腳連接TSC2101芯片和PXA272的I2S控制器，形成音頻數據傳輸的通道。I2S控制器必需的信號主要有：一個(gè)碼率時(shí)鐘，可以引用外部或者內部時(shí)鐘源；一個(gè)控制信號提供“左/右”聲道控制信息；兩個(gè)串行音頻引腳，一個(gè)輸出一個(gè)輸入；碼率時(shí)鐘，I2S控制器會(huì )將可選的系統時(shí)鐘信號也發(fā)送到外部解碼器中。

I2S控制器通過(guò)DMA方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。DMA方式下，DMA控制器只能通過(guò)串行音頻數據寄存器(SADR)訪(fǎng)問(wèn)FIFO。DMA控制器通常以8、16或32字節大小的塊存取FIFO隊列數據的。

本設計中采用的音頻芯片TSC2101集成了立體聲音頻解碼、觸摸屏控制芯片，立體聲DAC能以高達48Kb/s的采樣率播放音頻文件，專(zhuān)供PDA、PMP、智能手機和MP3播放機使用。TSC2101 將揚聲器放大器、耳機放大器和四線(xiàn)觸摸屏控制器與音頻編解碼器集成再一起，帶有一個(gè)立體聲頭戴送受話(huà)器接口、一個(gè)手機送受話(huà)器接口、一個(gè)單聲道8Ω揚聲器放大器以及一個(gè)32Ω受話(huà)器驅動(dòng)器，并集成有一個(gè)電池監控器和一個(gè)片上溫度傳感器。

TSC2101芯片的電路設計如圖2所示。

圖2 TSC2101芯片電路設計

本設計為T(mén)SC2101在智能手機中的運用，CP-IN為通信模塊的語(yǔ)音輸入，CP-OUT則為音頻系統到通信模塊的輸出，在實(shí)際的應用中MIC1可以通過(guò)TSC2101的內部PGA（可編程增益放大）、AGC（自動(dòng)增益控制）電路連接到CP-OUT，實(shí)現智能手機的話(huà)筒功能；同時(shí)，MIC1輸入還可以通過(guò)內部的ADC將語(yǔ)音數據采樣后經(jīng)I2S總線(xiàn)傳輸到處理器存儲空間實(shí)現錄音功能。當然，在智能手機通話(huà)的同時(shí)，還可以實(shí)現通話(huà)錄音功能。電路圖中的38～41引腳為SPI接口，42～46引腳為I2S控制引腳，引腳9～12為觸摸屏輸入，引腳27和28為音頻輸出可以連接耳機，引腳26連接手機聽(tīng)筒，引腳33、35連接外置揚聲器。

采用Unified Audio模型實(shí)現音頻驅動(dòng)

音頻驅動(dòng)的實(shí)現方式包括MDD-PDD分層模式和不分層的Unified Audio模型。MDD-PDD作為直接實(shí)現流接口的一種方法，使用微軟提供的模型設備驅動(dòng)程序（MDD）庫――Wavemdd.dll。這個(gè)庫根據音頻設備驅動(dòng)程序服務(wù)供應者接口（DDSI）函數來(lái)實(shí)現流接口函數，如果使用了Wavemdd.dll就必須生成一個(gè)匹配的平臺依賴(lài)驅動(dòng)程序（PDD）庫，該庫能實(shí)現音頻DDSI函數，這個(gè)PDD庫通常叫做Wavepdd.lib。然后把兩個(gè)庫連接起來(lái)形成Wavedev.dll。

作為音頻驅動(dòng)的另外一種方法，就是采用Unified Audio模型，即不分層的音頻驅動(dòng)模型，這種模型的音頻驅動(dòng)支持標準的波形驅動(dòng)接口。在本設計中就是使用的這種方式來(lái)實(shí)現音頻驅動(dòng)（Platform Builder的驅動(dòng)目錄下包括有基于這種模型驅動(dòng)的實(shí)例代碼）。在分層的音頻驅動(dòng)中，驅動(dòng)程序由MDD和PDD組成，MDD層執行與硬件平臺無(wú)關(guān)的功能，PDD層則是直接與硬件平臺相關(guān)的操作，而在Unified Audio模型中，MDD和PDD的分層是不必要的，圖3是Unified Audio模型的音頻驅動(dòng)結構。

圖3 Unified Audio模型的音頻驅動(dòng)結構

在這種模型下，音頻驅動(dòng)仍然是以流接口的形式實(shí)現，分別實(shí)現了WAV-close（）、WAV-PowerDown（）、WAV-Deinit（）、 WAV-PowerUp（）、WAV-Init（）、WAV-Read（）、WAV-IOControl（）、WAV-Seek（）、WAV-Open（）、WAV-Write（）這幾個(gè)標準的流接口函數。

DMA緩存區設計與實(shí)現

由于音頻設備驅動(dòng)程序設計對設備的實(shí)時(shí)性要求較高，所以DMA緩存區設計以及合理地利用緩存區加快對音頻數據的處理，減少延時(shí)變得十分重要。

DMA控制器是使CPU處理其他與數據總線(xiàn)無(wú)關(guān)的處理，而由DMA控制器負責數據傳輸的機制，這種機制使得CPU從繁重的數據傳輸中解脫出來(lái)，可以執行其他計算，從而提高了系統運行速度。PXA272的DMA控制器提供了32個(gè)DMA通道，0～31。這些通道提供了flow-through 和fly by的數據傳輸方式。

在本設計中，使用雙緩存區DMA通道設計，如圖4所示，當CPU正在處理某一個(gè)緩存區數據的同時(shí)，DMA控制器可以完成另一個(gè)緩存區數據的傳輸，如此交替下去，則可以提高系統的并行能力，提高音頻處理的實(shí)時(shí)性。

雙緩存區驅動(dòng)程序設計當中，以播音為例，新的音頻數據在CPU的控制下先寫(xiě)到緩存1中，此時(shí)DMA控制器正在處理緩存2的數據傳輸。當緩存2的數據全部傳完之后，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)DMA中斷，該中斷通知CPU開(kāi)始往緩存2里寫(xiě)新的音頻數據，與此同時(shí)，DMA也繼續處理緩存1的數據。這樣，由于CPU和DMA沒(méi)有處理同一段DMA緩存區，就減少了資源訪(fǎng)問(wèn)的沖突，并且能夠最大程度上保證音頻數據不丟失，提高音頻處理的實(shí)時(shí)性，也提高了系統的并行能力。

本設計中使用MapDMABuffers（）函數實(shí)現DMA音頻數據緩存區的分配，函數主要實(shí)現的功能是：分配接收和發(fā)送音頻數據的DMA緩存區。

結束語(yǔ)

本文分析了嵌入式Windows CE操作系統基于TSC2101音頻芯片的音頻系統實(shí)現的基本原理及其驅動(dòng)程序模型，并結合具體程序重點(diǎn)描述了DMA雙緩存區的實(shí)現方法和原理。本設計在實(shí)際運用中能夠滿(mǎn)足音頻系統的實(shí)時(shí)性要求，在實(shí)際測試中，緩存區大小設置為0x1000（Bytes），位時(shí)鐘頻率為 2.836MHz，DMA數據傳送的數據大小分別在32B、16B、8B的情況下，播放效果均清晰無(wú)雜音，達到了預期的效果。