基于LPC2138的專(zhuān)業(yè)AES3數字音頻接口設計

當今數字技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越快，人們對廣播電視節目的質(zhì)量需求也越來(lái)越高。AES／EBU(Audio Engineering Society／European Broad cast Union)現已成為專(zhuān)業(yè)數字音頻較為流行的標準。大量民用產(chǎn)品和專(zhuān)業(yè)音頻數字設備如CD機、DAT、MD機、數字調音臺、數字音頻工作站等都支持AES3接口。AES3通過(guò)單根絞合線(xiàn)對來(lái)串行傳輸數字音頻數據，充分發(fā)揮了數字信號易處理、音質(zhì)優(yōu)良和抗干擾能力強的優(yōu)勢。它提供兩個(gè)信道的音頻數據，信道自動(dòng)計時(shí)和自同步，同時(shí)提供了傳輸控制的方法和狀態(tài)信息的表示和一些誤碼的檢測能力。

鑒于入們對高質(zhì)量音樂(lè )的追求以及AES3接口的縱多優(yōu)點(diǎn)，設計出一個(gè)能夠接收和發(fā)送AES3音頻信號的簡(jiǎn)單系統是很有價(jià)值的。本設計由LPC2138控制音響設備專(zhuān)用芯片實(shí)現AES3接口，只需簡(jiǎn)單地修改芯片配置，即可實(shí)現系統的特性調整及性能擴展，簡(jiǎn)單穩定，具有較強地實(shí)用價(jià)值。

1 AES3數字音頻接口簡(jiǎn)介

AES3接口在單根傳輸線(xiàn)上串行傳輸兩路數字音頻信號。每個(gè)音頻塊(Audio block)包含192幀，每幀包括2個(gè)子幀，即左有兩個(gè)通道，每個(gè)通道包含32個(gè)時(shí)隙(slot)。0～3時(shí)隙為X、Y、Z 3種幀頭，其中X和Y表示一個(gè)子幀的開(kāi)始，Z表示一個(gè)塊(block)的開(kāi)始。4～7時(shí)隙為輔助數據，8～27時(shí)隙為音頻數據位，音頻數據位可以多達24位。如果音頻數據超過(guò)20位，則4～7位將被用作音頻數據位。最后的4個(gè)時(shí)隙分別為有效位、用戶(hù)數據位、通道狀態(tài)位和奇偶校驗位。每192幀信號的通道狀態(tài)位組成通道狀態(tài)數據，通道狀態(tài)中含有豐富的音頻特征信息，通過(guò)獲取通道狀態(tài)數據便可以得知音頻信號是否是專(zhuān)業(yè)型，是否預加重，以及采樣頻率等信息。每一位的具體含義請參考文獻，本設計不做詳細介紹。AES3接口傳輸的數字音頻信號格式如圖1所示。


2 總體設計

本設計的信號源為模擬音頻信號、J2S串行音頻信號和傳輸線(xiàn)上接收到的AES3數字音頻信號。
模擬音頻信號經(jīng)調節后，送至模數轉換器，經(jīng)過(guò)48 k的采樣頻率采樣(本設計統一使用48 k的采樣率)，轉換成I2S數字音頻信號。I2S信號(包括模數轉換得到的I2S和I2S信號源的信號)送入SRC4382，SRC4382將I2S信號的采樣頻率轉換為48 k，并進(jìn)行格式轉換，轉換后得到的AES3信號可以通過(guò)單根絞合線(xiàn)進(jìn)行傳輸。相反過(guò)程，接收到的AES3數字音頻信號經(jīng)過(guò)采樣頻率轉換和格式轉換后，轉換為采樣率為48k的I2S信號。I2S信號可以直接作為輸出，也可以經(jīng)過(guò)數模轉換器后，再經(jīng)過(guò)濾波放大處理，轉化為模擬音頻信號輸出。整體框架的部署如圖2所示。


3 主要的硬件設計

3．1 LPC2138控制模塊

本設計中的微控制芯片需要提供I2C總線(xiàn)來(lái)控制CS5368、CS4382和SRC4382的操作模式，并且提供外部中斷接口來(lái)接收外部的中斷。LPC2 138微控制芯片是Philips公司的ARM7芯片，它擁有豐富的外部串行接口(UART、SPI以及I2C)，向量中斷控制器，支持實(shí)時(shí)調試和高速跟蹤執行代碼，是一款高性能低功耗的32位微控制器，在微控制領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應用。鑒于以上特性，本設計選用LPC2138作為微控制芯片，通過(guò)I2C總線(xiàn)接口實(shí)現CS5368、CS4382和SRC4382的內部寄存器配置，使這些器件工作在合適的工作狀態(tài)，并通過(guò)外部中斷接口實(shí)現中斷管理。

3．2 電源模塊設計

硬件系統平臺要求的供電電源電壓有：±12 V、5 V、3．3 V、2．5 V和1．8 V。其中±12 V和5 V是由變壓器直接輸入得到．3．3 V、2．5 V和1．8 V由電源IC轉換得到。±12 V主要為運放供電，3．3 V、2．5 V和1．8 V電源芯片的輸入電壓均為5 V。其中，3．3 V電壓、2．5 V電壓和1．8 V電壓分別由芯片LM1085、TPS79325和LM1117-1．8輸出提供，輸出的2．5 V電壓提供給運放NE5532做基準電壓。

3．3 輸入模擬音頻調節模塊

模擬信號輸入前置電路，包括濾波限幅電路、阻容耦合電路和低通濾波衰減電路。模擬信號輸入前置電路主要用來(lái)隔離后級直流分量對前級的影響，限制輸入信號的幅度，濾去輸入信號中的高頻分量，濾除串擾噪聲。輸入模擬音頻信號電壓幅度比較大，不能直接作為A／D轉換器的輸入，因此前置電路必須對信號進(jìn)行衰減，同時(shí)基準電壓提高到2．5 V。如圖3所示。信號的衰減系數為：


3．4 輸出模擬音頻調節模塊

人耳能聽(tīng)見(jiàn)的音頻信號頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間，而數字音頻信號經(jīng)過(guò)傳輸和D／A轉換后可能會(huì )引入各種噪聲，因此需要在D／A轉換后進(jìn)行低通模擬濾波來(lái)濾除噪聲。此處由一個(gè)隔直流電路(由C5與R15組成高通濾波器)和二階巴特沃茲低通濾波器，如圖4所示。圖中，二階巴特沃茲低通濾波電路引入正負反饋，用來(lái)去除信號的高頻分量。

其中，C5和R15組成的高通濾波器的截止頻率為：

模擬音頻信號經(jīng)過(guò)濾波電路后功率比較小，如果直接輸出，則輸出音頻的音量會(huì )非常小。因此必須對濾波后的模擬音頻信號進(jìn)行非失真放大，提高輸出模擬音頻信號的功率，使得音量能達到更好效果。如圖4所示，經(jīng)過(guò)濾波后的模擬音頻信號由NE5532放大器進(jìn)行功率放大，放大倍數為：


3．5 模數轉換模塊

模數轉換模塊采用Cirrus Logic公司的模數轉換芯片CS5368。它具有24位轉換位寬，114 dB的動(dòng)態(tài)范嗣，-105 dB的總諧波失真加噪聲，可選的音頻接口格式，低延遲數字濾波器，差分模擬結構，從模式(slave mode)下支持速度自檢，支持標準的I2C控制接口，適用于專(zhuān)業(yè)的音響設備。
在本設計中，CS5368工作于控制端口模式(control portmode)，通過(guò)LPC2138的I2C總線(xiàn)控制，器件地址為0x98H。CS5368可接收8路的差分模擬信號AINLx+、AINLx-，輸出的4路數字音頻信號CS5368_SDOx格式設置為I2S模式，采樣頻率為48kΩ。MCLK、SCLK、LRCK分別為12．288 MHz、3．072 MHz、48 kHz，由外部提供。CS5368的外圍電路如圖5所示。


3．6 數模轉換模塊

數模轉換模塊采用Cirrus Logic公司的數模轉換芯片CS4382。它是一個(gè)完整的8通道數模轉換系統，具有114 dB的動(dòng)態(tài)范圍，-100 dB的總諧波失真加噪聲，支持標準的I2C控制接口，具有理想的差分線(xiàn)性，高保真機制，無(wú)線(xiàn)性漂移等優(yōu)勢，適用于專(zhuān)業(yè)的音響設備。

在本設計中，CS4382工作于控制端口模式，通過(guò)LPC2138的I2C總線(xiàn)控制，器件地址為0x30H。CS4382可接收4路I2S的數字音頻信號SDIN1～SDIN4，輸出8路的差分模擬信號，采樣頻率取48k。MCLK、SCLK、LRCK同CS5368，分別為12．288 MHz、3．072MHz、48kHz，由外部提供。

3．7 音頻格式轉換模塊

音頻格式轉換模塊采用TI公司的SRC4382芯片。它是一款專(zhuān)用于廣播數字音頻系統的芯片，它集成了帶有采樣頻率轉換的數字音頻接口發(fā)送器(DIT)和接收器(DIR)，2個(gè)音頻串行接口，以及支持數據和時(shí)鐘內聯(lián)的分布式邏輯，DIT和DIR兼容AES3，S／PDIF，IEC 60958和EIAJ CP-1201接口標準，采樣頻率最高支持216 kHz，并且支持通過(guò)I2C總線(xiàn)控制芯片的工作狀態(tài)。

本設計中，通過(guò)LPC2138的I2C總線(xiàn)接口控制SRC4382的工作模式，器件地址為0xE0H。通過(guò)設置SRC4382內部寄存器，使其同時(shí)有2條工作的信號路徑，一條為RX+、RX-差分信號經(jīng)過(guò)DIR單元的采樣頻率轉換和解碼后，轉換為I2S信號，由SDOUT輸出；另一條為I2S信號SDIN經(jīng)過(guò)DIT單元的采樣頻率轉換和編碼后，轉換為數字音頻接口A(yíng)ES3信號，由差分線(xiàn)TX+、TX-輸出。LRCK與SCLK同CS5368，均由外部提供。RX+、RX-與DIN+、DIN-之間以及TX+、TX-與DOUTR+、DOUTR-之間均需要用變壓器做隔離去耦合，以防止前后級之間相互干擾。SRC4382的外圍電路如圖6所示。


4 軟件程序設計

CS5368、CS4382、SRC4382 3款芯片均可通過(guò)設置其內部寄存器，獲得不同的工作狀態(tài)。

4．1 CS5368軟件部分

系統上電之后需對CS5368進(jìn)行初始化。GCTL(globalmode control register)控制芯片的工作模式，本設計工作狀態(tài)為：控制端口模式，時(shí)鐘為256采樣率，輸出I2S模式，從模式下的所有采樣頻率。因此GCTL的值設置為0x87H。其他寄存器保持默認值即可。初始化程序如下：
／／I2C寫(xiě)一個(gè)字節0x87到地址GCTL(0x01)
I2c_WriteNByte(CS5368_Addr，1，GCTL，gctl，1)；
當CS5368發(fā)生溢出中斷時(shí)，會(huì )向LPC2138的外部中斷INT0發(fā)送中斷信號，同時(shí)LED燈D1被點(diǎn)亮。在中斷程序中，查詢(xún)OVFL寄存器狀態(tài)，設置相應通道的輸出消聲(mute)。中斷服務(wù)程序如下：
char ovfl，mute；
I2c_ReadNByte(CS5368_Addr，1，OVFL，＆ovfl，1)；
mute=～ovfl；
I2c_WriteNByte(CS5368_Addr，1，MUTE，mute，1)；

4．2 CS4382軟件部分

系統上電之后需對CS4382進(jìn)行初始化。MC1、MC2和FC共同控制CS4382的工作狀態(tài)，本設計中將其值分別設置為0x80H，0x10H，0x05H。芯片工作存控制端口模式下，輸入音頻格式為24位I2S信號，去加重濾波器響應頻率為48 kHz。其他寄存器保持默認值。初始化程序如下：

mc1=0x80；mc2=0x10；fc=0x05；
I2c_WriteNByte(Cs4382_Addr，1，MC1，mc1，1)；
I2c_WriteNByte(CS4382_Addr，1，MC2，mc2，1)；
I2c_WritcNByte(CS4382_Addr，1，FC，＆fc，1)；

4．3 SRC4382軟件部分

4．3．1 SRC4382初始化

系統上電之后需要對SRC4382進(jìn)行初始化。SRC4382的寄存器分為4頁(yè)，第0頁(yè)為控制和狀態(tài)寄存器，第1頁(yè)為DIR通道狀態(tài)和用戶(hù)數據緩沖寄存器，第2頁(yè)為DIT通道狀態(tài)和用戶(hù)數據緩沖寄存器，第3頁(yè)保留。在操作每頁(yè)寄存器之前，必須通過(guò)設置每頁(yè)的頁(yè)選擇寄存器來(lái)確定要操作的頁(yè)。初始化程序中只需將寄存器07，09，0b，0d，0e，0f，16，17，2d分別設置為0x22，0x02，0x33，0x08，0x09，0x12，0xfe，0x01，0x42，其他保留默認值即可。各寄存器的具體值及其含義請參考技術(shù)手冊。初始化程序如下：


4．3．2 SRC4382讀通道狀態(tài)

由第一部分介紹可知，通道狀態(tài)中含有豐富的信息。通過(guò)讀第1頁(yè)寄存器，便可以獲得接收的AES3數字音頻的特征信息。讀通道狀態(tài)之前，應先在第0頁(yè)禁止DIR，然后切換到第1頁(yè)，讀完通道狀態(tài)后再切換回第0頁(yè)，使能DIR。讀通道狀態(tài)程序如下：


4．3．3 SRC4382寫(xiě)通道狀態(tài)

通過(guò)寫(xiě)第2頁(yè)的相關(guān)寄存器，便可將需要發(fā)送的AES3數字音頻的特征信息寫(xiě)入到每一幀的通道狀態(tài)位中。寫(xiě)通道狀態(tài)之前，應先在第0頁(yè)禁止DIT，然后切換到第2頁(yè)，寫(xiě)完通道狀態(tài)后再切換到第0頁(yè)，使能DIT。讀通道狀態(tài)程序如下：


5 結束語(yǔ)

該設計通過(guò)微控制器LPC2138控制專(zhuān)業(yè)音頻處理芯片，實(shí)現了AES3數字音頻接口的設計。本設計中發(fā)送的音頻信息源和接收處理后的音頻信息均可以為模擬信號和串行I2S信號的形式，可用性較強。由于該設計采用專(zhuān)業(yè)音頻處理芯片實(shí)現，因此音質(zhì)比較好，穩定性比較高。只需簡(jiǎn)單修改軟件部分對音頻處理芯片的寄存器配置，即可實(shí)現系統特性的改變，所以靈活性和可擴展性較好。該設計可以具體應用于數字調音臺的混音器和音頻矩陣切換器中，也可以為CD機、MD機的設計提供參考，因此具有較強的工程使用價(jià)值。