文章 概述

本文介紹了I2S收發(fā)器的配置與實(shí)現，用于FPGA的VHDL編程。I2S是數字音頻的標準化串行通信總線(xiàn)，由SCK、WS和SD三條線(xiàn)路組成。文章闡述了I2S收發(fā)器的工作原理，包括數據傳輸方式、操作理論、配置方法、端口描述以及音頻數據事務(wù)傳輸。

本文詳細介紹了一個(gè)主 I2S 收發(fā)器組件用于 FPGA，以 VHDL 編寫(xiě)。 組件通過(guò) I2S 接口接收音頻數據，并將接收到的數據在某一采樣率上傳送給并行接口上的用戶(hù)邏輯芯片。 它還在某一采樣率上從用戶(hù)邏輯芯片上接收并行數據，并通過(guò) I2S 接口將這些數據傳輸出去。 圖1說(shuō)明了將 I2S 收發(fā)器集成到系統中的一個(gè)典型示例。
圖 1 示例實(shí)現

背景

I2S (也稱(chēng)為 IIS) 是用于數字音頻的標準化串行通信總線(xiàn)。該總線(xiàn)由串行時(shí)鐘 (SCK)、字段選擇信號 (WS)和串行數據 (SD) 3條線(xiàn)路組成。圖2顯示了 I2S 通信鏈路的數據幀。

圖 2. I2S 數據幀串行數據線(xiàn)傳輸兩個(gè)時(shí)間復用的數據通道——左信道和右信道。數據首先以2’s 二進(jìn)制補碼形式傳輸最高有效位(MSB)。字段選擇信號 (WS)表示當前正在傳輸的聲道(低=左聲道，高=右聲道)。該通道數據字段的MSB在字段選擇信號 (WS)切換后傳輸一個(gè)時(shí)鐘周期，然后是數字節的其余部分。數據位在下降時(shí)鐘沿上傳輸，在上升時(shí)鐘沿上讀取。I2S發(fā)送器或I2S接收器都可以充當主機（master）。主機提供串行時(shí)鐘和字段選擇信號。音頻編解碼器通常也需要一個(gè)“主時(shí)鐘”(MCLK) 來(lái)運行其內部電路。MCLK 頻率通常是采樣率的倍數，例如 256*Fs (其中 Fs 是采樣率)。要求取決于具體的音頻編解碼器。

操作理論這個(gè)I2S 收發(fā)器輸入一個(gè)主時(shí)鐘，并通過(guò)計數器從它得到串行時(shí)鐘和字段選擇信號。串行時(shí)鐘頻率是主時(shí)鐘的整數倍，字段選擇頻率(即采樣率)是串行時(shí)鐘的整數倍。接收數據從串行時(shí)鐘上升沿上的 sd_rx 端口時(shí)鐘進(jìn)入內部接收移位寄存器。在字段選擇切換后，為適當的通道啟用一個(gè)串行時(shí)鐘周期的移位，并繼續保持數據字段的寬度，然后再次禁用。在每個(gè)字段選擇開(kāi)關(guān)上，收發(fā)器分別在 r_data_rx 和 l_data_rx 端口上呈現右聲道和左聲道的接收數據。相反，在 r_data_tx 和 l_data_tx 輸入端口上呈現的左右數據在每個(gè)字段選擇開(kāi)關(guān)上并行加載到內部傳輸移位寄存器中。這些數據在串行時(shí)鐘下降沿上的 sd_tx 端口被時(shí)鐘輸出。在字段選擇切換后，為適當的通道啟用一個(gè)串行時(shí)鐘周期的移位，并在數據字段的寬度之外繼續一個(gè)串行時(shí)鐘，然后再次禁用。根據 I2S 總線(xiàn)規范，額外的傳輸位將 sd_tx 數據線(xiàn)設置為’ 0 '，以防數據寬度與接收 I2S 設備不匹配。

配置I2S 收發(fā)器

I2S 收發(fā)器通過(guò)在 ENTITY 中設置通用參數進(jìn)行配置。

sclk_ws_ratio

字段選擇 (ws) 信號的頻率是采樣率。 sclk_ws_ratio 參數定義了每個(gè)字段選擇周期的串行時(shí)鐘*(sclk)* 周期數。

mclk_sclk_ratio

mclk_sclk_ratio 參數定義了每個(gè)串行時(shí)鐘*(sclk)* 周期的主時(shí)鐘 (mclk) 周期數。

d_width

參數 d_width 以位為單位定義每個(gè)數據字段的大小。這并不需要等于一個(gè)字段選擇半周期內串行時(shí)鐘周期的數量(即在信道數據傳輸期間串行時(shí)鐘的數量)。如果在字段選擇半周期內有多余的時(shí)鐘周期，那么在額外的串行時(shí)鐘周期內串行數據接收端口 (sd_rx) 上的任何數據都將被忽略，并且串行數據傳輸端口 (sd_tx) 為這些額外的位輸出 ’ 0 '。

提供主時(shí)鐘 (Master Clock)

I2S 收發(fā)器需要一個(gè)主時(shí)鐘 時(shí)鐘輸入 來(lái)操作。該時(shí)鐘是發(fā)送到 I2S 收發(fā)器正在通信的 I2S 從設備的同一主時(shí)鐘信號。

通常，期望的采樣率 (Fs) 是已知的，I2S 設備需要一個(gè)該采樣率的若干倍的主時(shí)鐘。例如，假設期望的采樣率是常用的 44.1 kHz，并且 I2S 設備接受 256*Fs 的主時(shí)鐘。這意味著(zhù)用戶(hù)需要為 I2S 設備和 I2S 收發(fā)器提供11.29 MHz的 mclk 。mclk 信號可以在 FPGA 內部使用鎖相環(huán)導出。

端口的描述

I2S收發(fā)器接口說(shuō)明如表1所示。

表 1 . 端口的描述

音頻數據事務(wù)傳輸

I2S 收發(fā)器使 l_data_rx 和 r_data_rx 端口上的用戶(hù)邏輯可以使用接收到的數據。這兩個(gè)接收數據端口在每次 ws 轉換時(shí)都會(huì )更新。由于新的左聲道數據僅在 ws = ’ 0 '時(shí)接收，因此 l_data_rx 端口與 ws 的上升沿同時(shí)獲得新值，即當左聲道數據字段完成時(shí)。同樣，新的右聲道數據僅在 ws = " 1 " 時(shí)接收，因此 r_data_rx 端口與 ws 的下降沿并發(fā)獲得新值，即當右聲道數據字段完成時(shí)。用戶(hù)邏輯可以使用 ws 信號來(lái)指示新數據可用，從而以采樣率檢索該數據。圖3 說(shuō)明了這種行為。

類(lèi)似地，I2S 收發(fā)器在每個(gè) ws 轉換的 l_data_tx 和 r_data_tx 端口上鎖存新的傳輸數據。用戶(hù)邏輯可以使用 ws 信號來(lái)指示何時(shí)將其輸出數據鎖存，因此可以自由地在這些端口上呈現下一組傳輸數據。鎖存在 ws 下降沿上的 l_data_tx 值在左聲道數據字段傳輸期間在 sd_tx 上傳輸。同樣，鎖存在 ws 上升沿上的 r_data_tx 值在右聲道數據字段傳輸期間在 sd_tx 上傳輸。圖3 顯示了這種行為。圖 3. 時(shí)間圖

重置（Reset）

reset_n 輸入端口必須具有邏輯高，I2S 收發(fā)器才能正常工作。該端口上的低信號將異步復位組件。復位期間，組件保持 sclk 、 ws 和 sd_tx 端口為低電平。任何當前正在進(jìn)行的傳輸都將停止。任何當前正在進(jìn)行的接收被放棄， l_data_rx 和 r_data_rx 輸出端口清空。清除所有內部數據緩沖區。一旦解除復位，I2S 收發(fā)器恢復工作。

結論

I2S 收發(fā)器是一種可配置的可編程邏輯組件，通過(guò)標準 I2S 總線(xiàn)傳輸和接收音頻數據。它作為主控器工作，為接口提供串行時(shí)鐘和選字信號。它允許用戶(hù)為特定的采樣頻率、數據寬度、主時(shí)鐘和每字串行時(shí)鐘周期數進(jìn)行配置。