Windows CE下基于TSC2101的音頻系統(tǒng)設計

Windows CE是一個開放的、可裁剪的、32位的實時嵌入式操作系統(tǒng)。它具有可靠性好、實時性高、內核體積小的特點，所以被廣泛用于各種嵌入式智能設備的開發(fā)，其應用涉及工業(yè)控制、信息家電、移動通信、汽車電子、個人電子消費品等各個領域，是當今應用最多、增長最快的嵌入式操作系統(tǒng)。而在這些嵌入式應用中，音頻模塊成為了大多數(shù)產(chǎn)品不可或缺的一部份。本文針對Windows CE操作系統(tǒng)，構造了基于Intel Xscale PXA272和TSC2101音頻芯片的音頻系統(tǒng)，并簡要介紹了其實現(xiàn)方法。

音頻系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

本設計中的音頻驅動采用Unified Audio模型實現(xiàn)，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）總線的音頻系統(tǒng)體系結構，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。Intel Xscale PXA272芯片集成了I2S控制器，通過I2S總線處理音頻數(shù)據(jù)。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串口以實現(xiàn)控制信號的傳輸。

圖1 系統(tǒng)原理圖

I2S是菲利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。PXA272的I2S控制器控制了I2S鏈接，I2S控制器由數(shù)據(jù)緩沖、狀態(tài)和控制寄存器、計數(shù)器組成。它們將系統(tǒng)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，I2S控制器通過I2SLINK連接將系統(tǒng)內存中數(shù)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(shù)模轉換器將數(shù)字音頻信號轉換成模擬信號。對于錄音來說，I2S控制器從外部的TSC2101音頻芯片接收到數(shù)字信號，然后將它們存儲到系統(tǒng)內存中。I2S提供了普通I2S和MSB-justified-I2S格式。通過5根引腳連接TSC2101芯片和PXA272的I2S控制器，形成音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。I2S控制器必需的信號主要有：一個碼率時鐘，可以引用外部或者內部時鐘源；一個控制信號提供“左/右”聲道控制信息；兩個串行音頻引腳，一個輸出一個輸入；碼率時鐘，I2S控制器會將可選的系統(tǒng)時鐘信號也發(fā)送到外部解碼器中。

I2S控制器通過DMA方式來訪問。DMA方式下，DMA控制器只能通過串行音頻數(shù)據(jù)寄存器(SADR)訪問FIFO。DMA控制器通常以8、16或32字節(jié)大小的塊存取FIFO隊列數(shù)據(jù)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、耳機放大器和四線觸摸屏控制器與音頻編解碼器集成再一起，帶有一個立體聲頭戴送受話器接口、一個手機送受話器接口、一個單聲道8Ω揚聲器放大器以及一個32Ω受話器驅動器，并集成有一個電池監(jiān)控器和一個片上溫度傳感器。

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TSC2101在智能手機中的運用，CP-IN為通信模塊的語音輸入，CP-OUT則為音頻系統(tǒng)到通信模塊的輸出，在實際的應用中MIC1可以通過TSC2101的內部PGA（可編程增益放大）、AGC（自動增益控制）電路連接到CP-OUT，實現(xiàn)智能手機的話筒功能；同時，MIC1輸入還可以通過內部的ADC將語音數(shù)據(jù)采樣后經(jīng)I2S總線傳輸?shù)教幚砥鞔鎯臻g實現(xiàn)錄音功能。當然，在智能手機通話的同時，還可以實現(xiàn)通話錄音功能。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連接手機聽筒，引腳33、35連接外置揚聲器。

采用Unified Audio模型實現(xiàn)音頻驅動

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

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

圖3 Unified Audio模型的音頻驅動結構

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

DMA緩存區(qū)設計與實現(xiàn)

由于音頻設備驅動程序設計對設備的實時性要求較高，所以DMA緩存區(qū)設計以及合理地利用緩存區(qū)加快對音頻數(shù)據(jù)的處理，減少延時變得十分重要。

DMA控制器是使CPU處理其他與數(shù)據(jù)總線無關的處理，而由DMA控制器負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C制，這種機制使得CPU從繁重的數(shù)據(jù)傳輸中解脫出來，可以執(zhí)行其他計算，從而提高了系統(tǒng)運行速度。PXA272的DMA控制器提供了32個DMA通道，0～31。這些通道提供了flow-through 和fly by的數(shù)據(jù)傳輸方式。

在本設計中，使用雙緩存區(qū)DMA通道設計，如圖4所示，當CPU正在處理某一個緩存區(qū)數(shù)據(jù)的同時，DMA控制器可以完成另一個緩存區(qū)數(shù)據(jù)的傳輸，如此交替下去，則可以提高系統(tǒng)的并行能力，提高音頻處理的實時性。

雙緩存區(qū)驅動程序設計當中，以播音為例，新的音頻數(shù)據(jù)在CPU的控制下先寫到緩存1中，此時DMA控制器正在處理緩存2的數(shù)據(jù)傳輸。當緩存2的數(shù)據(jù)全部傳完之后，會產(chǎn)生一個DMA中斷，該中斷通知CPU開始往緩存2里寫新的音頻數(shù)據(jù)，與此同時，DMA也繼續(xù)處理緩存1的數(shù)據(jù)。這樣，由于CPU和DMA沒有處理同一段DMA緩存區(qū)，就減少了資源訪問的沖突，并且能夠最大程度上保證音頻數(shù)據(jù)不丟失，提高音頻處理的實時性，也提高了系統(tǒng)的并行能力。

本設計中使用MapDMABuffers（）函數(shù)實現(xiàn)DMA音頻數(shù)據(jù)緩存區(qū)的分配，函數(shù)主要實現(xiàn)的功能是：分配接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的DMA緩存區(qū)。

結束語

本文分析了嵌入式Windows CE操作系統(tǒng)基于TSC2101音頻芯片的音頻系統(tǒng)實現(xiàn)的基本原理及其驅動程序模型，并結合具體程序重點描述了DMA雙緩存區(qū)的實現(xiàn)方法和原理。本設計在實際運用中能夠滿足音頻系統(tǒng)的實時性要求，在實際測試中，緩存區(qū)大小設置為0x1000（Bytes），位時鐘頻率為 2.836MHz，DMA數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)大小分別在32B、16B、8B的情況下，播放效果均清晰無雜音，達到了預期的效果。