現(xiàn)在，不起眼的通用串行總線 （USB） 已成為幾乎所有類型消費(fèi)設(shè)備的實(shí)際接口，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注將其功能應(yīng)用于音頻接口。在本文中，我們將探索一種新出現(xiàn)的 USB 橋接設(shè)備類別，它可以處理支持硬件中的音頻設(shè)備類應(yīng)用程序所需的許多細(xì)節(jié)。正如我們將展示的，USB 的充足帶寬、易用性和簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)使其成為交換和控制數(shù)字高質(zhì)量音頻流的自然選擇。

　　雖然從消費(fèi)者的角度來(lái)看，USB 音頻很簡(jiǎn)單，但在連接器的另一端卻不是那么容易。這在很大程度上是因?yàn)?USB 協(xié)議棧非常復(fù)雜，能夠支持許多明顯不同類型的應(yīng)用程序，正式稱為 USB 類。這包括音頻設(shè)備類，它定義了通過 USB 傳輸音頻的強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制。從 USB 端口提取音頻數(shù)據(jù)以供應(yīng)用程序的 MCU 分發(fā)、存儲(chǔ)或進(jìn)一步處理通常需要牢牢掌握 USB 協(xié)議層的細(xì)節(jié)（要了解有關(guān) USB 協(xié)議本身的更多信息，請(qǐng)參閱 TechZone 文章“提示，技巧在嵌入式應(yīng)用程序中使用 USB - 第一部分”）。除了協(xié)議本身的復(fù)雜性之外，其他與音頻相關(guān)的問題，例如數(shù)據(jù)流的同步和編程編解碼器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 配置，即使是最有經(jīng)驗(yàn)的嵌入式和音頻設(shè)計(jì)師也可能面臨挑戰(zhàn)。

　　為了解決這些問題，Silicon Labs 的 CP2114音頻橋等設(shè)備支持同步、流管理和其他通常需要大量軟件開發(fā)工作的任務(wù)。在本文中，我們還將探討 USB 音頻橋接器提供新穎的標(biāo)準(zhǔn)音頻配置接口以及在低成本、高度集成的單芯片解決方案中同步音頻數(shù)據(jù)流的方法。

　　通過 USB 流式傳輸音頻所涉及的最大挑戰(zhàn)之一是從主機(jī)（源）到設(shè)備（接收器）的數(shù)據(jù)流同步。盡管 USB 最初是作為連接鍵盤、鼠標(biāo)和打印機(jī)的簡(jiǎn)單接口而開發(fā)的，但其協(xié)議規(guī)范還包括用于“同步傳輸”的強(qiáng)大同步方案。音頻設(shè)備類定義采用此方案通過總線可靠地傳輸音頻數(shù)據(jù)。然而，這種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，以前的實(shí)現(xiàn)通常是圍繞相對(duì)強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建的，這些系統(tǒng)包括復(fù)雜的數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換器或昂貴的鎖相環(huán) （PLL），以支持時(shí)鐘精度要求。

　　例如，一個(gè)采樣率為 48 kHz 的系統(tǒng)，主處理器每毫秒傳輸一個(gè)包含 48 個(gè)模擬輸出樣本的幀。接收器（接收設(shè)備）必須緩沖音頻輸出數(shù)據(jù)，以便將其發(fā)送到 DAC，一次一個(gè)樣本。即使主機(jī)和設(shè)備之間的小時(shí)鐘不匹配也可能導(dǎo)致溢出或運(yùn)行不足的情況。USB 規(guī)范定義了幾種適應(yīng)主機(jī)/設(shè)備時(shí)鐘不匹配的方法。

　　表 1 列出了控制 USB 源和接收器操作的各種模式。（請(qǐng)記住，對(duì)于音頻輸出操作，主機(jī)是源，設(shè)備是接收器。對(duì)于音頻輸入操作，設(shè)備是源，主機(jī)是接收器。）

　　表 1：USB 音頻同步模式。

　　異步模式傳輸

　　當(dāng)接收設(shè)備沒有 PLL 硬件與主機(jī)時(shí)鐘同步時(shí)，采用異步操作。在這種模式下，幾乎可以肯定會(huì)出現(xiàn)頻率不匹配，導(dǎo)致它處理源發(fā)送的音頻數(shù)據(jù)太慢或太快。為了適應(yīng)這種源/接收器時(shí)鐘不匹配，接收器向源提供明確的反饋，用于調(diào)整其采樣率和向接收器發(fā)送樣本的速率（圖 1）。

　　圖 1：以主機(jī)設(shè)備作為源的異步模式操作。

　　圖 2 說明了使用以標(biāo)稱 48 kHz 采樣率運(yùn)行的緩沖系統(tǒng)的異步傳輸機(jī)制。最初，對(duì)于每毫秒發(fā)生的每個(gè) USB 幀開始 （SOF） 操作，主機(jī)以 48 個(gè)樣本開始流式傳輸數(shù)據(jù)。如果時(shí)鐘不匹配導(dǎo)致接收設(shè)備的緩沖區(qū)接近滿或空狀態(tài)，則設(shè)備可以請(qǐng)求主機(jī)每次發(fā)送更多（49）或更少（47）個(gè)樣本，以防止緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出或欠載情況。支持這種信令機(jī)制的硬件邏輯在 Silicon Labs 的 CP2114 USB-to-I2S 數(shù)字音頻橋設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，無(wú)需任何額外的軟件開發(fā)即可支持音頻設(shè)備類。

　　圖 2：異步模式操作需要來(lái)自接收緩沖區(qū)的明確反饋，以防止出現(xiàn)下溢或上溢的情況。

　　同步傳輸

　　對(duì)于同步操作，源和接收器使用隱式反饋，并且兩個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘都鎖定到 USB SOF。接收設(shè)備必須與 USB SOF 同步（圖 3）。

　　圖 3：同步模式操作使用公共時(shí)鐘來(lái)確保源僅提供接收設(shè)備可以處理的盡可能多的數(shù)據(jù)包。

　　通過閉環(huán)控制可以糾正 USB SOF 和接收設(shè)備內(nèi)部振蕩器之間的任何失配，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而穩(wěn)健的同步模式。此實(shí)現(xiàn)如圖 4 所示。

　　圖 4：支持基于內(nèi)部振蕩器的同步模式操作的閉環(huán)控制方案。

　　主機(jī)每毫秒發(fā)送的 USB SOF 用于校準(zhǔn)內(nèi)部振蕩器。為了使這種方法正常工作，接收設(shè)備的內(nèi)部振蕩器必須通過校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行調(diào)節(jié)，該校準(zhǔn)寄存器可以以非常小的步長(zhǎng)增加或降低內(nèi)部振蕩器頻率。CP2114 數(shù)字音頻橋的內(nèi)部振蕩器包括一個(gè)數(shù)控動(dòng)態(tài)微調(diào)機(jī)制，它具有足夠的精度來(lái)滿足這些要求。CP2114 使開發(fā)人員能夠在同步模式和異步模式之間進(jìn)行選擇，現(xiàn)在所有流行平臺(tái)（包括 Windows、Linux、Mac OS 和適用于 Apple iPad 的 iOS）都支持這種模式。

　　編解碼器/DAC 配置接口“非”標(biāo)準(zhǔn)

　　得益于許多制造商提供的各種編解碼器和 DAC 組件，設(shè)計(jì)人員可以選擇能夠提供所需性能和功能的設(shè)備。然而不幸的是，沒有用于配置其設(shè)備功能的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。因此，每個(gè)制造商都有自己獨(dú)特的設(shè)備配置程序，這通常會(huì)增加開發(fā)人員為支持多個(gè)編解碼器/DAC 平臺(tái)而必須創(chuàng)建的軟件的復(fù)雜性。

　　該問題的一種解決方案是為 USB 橋接器配備“墊片機(jī)制”，該機(jī)制為主機(jī)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)編解碼器/DAC 配置接口。一組標(biāo)準(zhǔn)的寄存器位置允許開發(fā)人員配置大多數(shù)編解碼器和 DAC 中的典型功能，而無(wú)需了解更多正在使用的設(shè)備的型號(hào)。除了簡(jiǎn)化軟件開發(fā)之外，此功能還可以輕松評(píng)估各種編解碼器/DAC 產(chǎn)品，或?qū)F(xiàn)有設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為不同的組件。出于這個(gè)原因，CP2114 音頻橋包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置接口機(jī)制，支持廣泛的編解碼器/DAC。

　　如圖 5 所示，CP2114 橋接器件的標(biāo)準(zhǔn)化編程接口解決了所有編解碼器和 DAC 中最常見的功能，包括 DAC 寄存器大小、音頻格式、音量控制和音頻時(shí)鐘比率。此外，該接口還提供了用于自定義編程的開放字段和一個(gè)抽象層，以易于理解的格式封裝了最典型的配置功能。

　　圖 5：CP2114 的框圖。

　　一旦開發(fā)人員熟悉了這個(gè)接口，在編解碼器和 DAC 設(shè)備之間切換就變得很簡(jiǎn)單。表 2 列出了 CP2114 標(biāo)準(zhǔn)音頻配置編程接口的一部分。

　　表 2：CP2114 橋接設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)編程接口尋址的功能示例。

　　該設(shè)備的 USB 端口兼作其所有功能的控制/配置接口，包括 DAC/編解碼器設(shè)置。所有配置值都存儲(chǔ)在 EPROM 中，并且可以由主機(jī)隨時(shí)更改，從而允許對(duì)編解碼器/DAC 的配置值進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

　　結(jié)論

　　主要的設(shè)計(jì)問題，例如音頻數(shù)據(jù)流的同步和編解碼器/DAC 配置，即使是最專業(yè)的嵌入式和音頻設(shè)計(jì)師也可能面臨挑戰(zhàn)。下一代數(shù)字音頻橋接解決方案（例如 CP2114 器件）通過標(biāo)準(zhǔn)配置接口支持各種編解碼器和 DAC，從而最大限度地降低了這種復(fù)雜性，以最少的外部組件支持異步和同步操作模式，并且無(wú)需外部組件，如晶體振蕩器和 EEPROM。