Windows CE下基于TSC2101的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(tǒng)。它具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核體積小的特點(diǎn)，所以被廣泛用于各種嵌入式智能設(shè)備的開(kāi)發(fā)，其應(yīng)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(fèi)品等各個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)今應(yīng)用最多、增長(zhǎng)最快的嵌入式操作系統(tǒng)。而在這些嵌入式應(yīng)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(duì)Windows CE操作系統(tǒng)，構(gòu)造了基于Intel Xscale PXA272和TSC2101音頻芯片的音頻系統(tǒng)，并簡(jiǎn)要介紹了其實(shí)現(xiàn)方法。

音頻系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中的音頻驅(qū)動(dòng)采用Unified Audio模型實(shí)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(jié)構(gòu)，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(guò)I2S總線處理音頻數(shù)據(jù)。其他信號(hào)（如控制信號(hào)）則需要單獨(dú)傳輸，在本設(shè)計(jì)中將Xscale PXA272芯片的SSP串口配置為SPI串口以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)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(jì)數(shù)器組成。它們將系統(tǒng)內(nèi)存和外設(shè)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(tǒng)內(nèi)存中數(shù)字化的聲音樣本發(fā)送到外設(shè)的TSC2101音頻解碼芯片中，然后由TSC2101芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。對(duì)于錄音來(lái)說(shuō)，I2S控制器從外部的TSC2101音頻芯片接收到數(shù)字信號(hào)，然后將它們存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。I2S控制器必需的信號(hào)主要有：一個(gè)碼率時(shí)鐘，可以引用外部或者內(nèi)部時(shí)鐘源；一個(gè)控制信號(hào)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(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)也發(fā)送到外部解碼器中。

I2S控制器通過(guò)DMA方式來(lái)訪問(wèn)。DMA方式下，DMA控制器只能通過(guò)串行音頻數(shù)據(jù)寄存器(SADR)訪問(wèn)FIFO。DMA控制器通常以8、16或32字節(jié)大小的塊存取FIFO隊(duì)列數(shù)據(jù)的。

本設(shè)計(jì)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(dá)48Kb/s的采樣率播放音頻文件，專(zhuān)供PDA、PMP、智能手機(jī)和MP3播放機(jī)使用。TSC2101 將揚(yáng)聲器放大器、耳機(jī)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(gè)立體聲頭戴送受話器接口、一個(gè)手機(jī)送受話器接口、一個(gè)單聲道8Ω揚(yáng)聲器放大器以及一個(gè)32Ω受話器驅(qū)動(dòng)器，并集成有一個(gè)電池監(jiān)控器和一個(gè)片上溫度傳感器。

TSC2101芯片的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 TSC2101芯片電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為T(mén)SC2101在智能手機(jī)中的運(yùn)用，CP-IN為通信模塊的語(yǔ)音輸入，CP-OUT則為音頻系統(tǒng)到通信模塊的輸出，在實(shí)際的應(yīng)用中MIC1可以通過(guò)TSC2101的內(nèi)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(xiàn)智能手機(jī)的話筒功能；同時(shí)，MIC1輸入還可以通過(guò)內(nèi)部的ADC將語(yǔ)音數(shù)據(jù)采樣后經(jīng)I2S總線傳輸?shù)教幚砥鞔鎯?chǔ)空間實(shí)現(xiàn)錄音功能。當(dāng)然，在智能手機(jī)通話的同時(shí)，還可以實(shí)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(jī)，引腳26連接手機(jī)聽(tīng)筒，引腳33、35連接外置揚(yáng)聲器。

采用Unified Audio模型實(shí)現(xiàn)音頻驅(qū)動(dòng)

音頻驅(qū)動(dòng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)流接口的一種方法，使用微軟提供的模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（MDD）庫(kù)――Wavemdd.dll。這個(gè)庫(kù)根據(jù)音頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)供應(yīng)者接口（DDSI）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流接口函數(shù)，如果使用了Wavemdd.dll就必須生成一個(gè)匹配的平臺(tái)依賴(lài)驅(qū)動(dòng)程序（PDD）庫(kù)，該庫(kù)能實(shí)現(xiàn)音頻DDSI函數(shù)，這個(gè)PDD庫(kù)通常叫做Wavepdd.lib。然后把兩個(gè)庫(kù)連接起來(lái)形成Wavedev.dll。

作為音頻驅(qū)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(qū)動(dòng)模型，這種模型的音頻驅(qū)動(dòng)支持標(biāo)準(zhǔn)的波形驅(qū)動(dòng)接口。在本設(shè)計(jì)中就是使用的這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻驅(qū)動(dòng)（Platform Builder的驅(qū)動(dòng)目錄下包括有基于這種模型驅(qū)動(dòng)的實(shí)例代碼）。在分層的音頻驅(qū)動(dòng)中，驅(qū)動(dòng)程序由MDD和PDD組成，MDD層執(zhí)行與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的功能，PDD層則是直接與硬件平臺(tái)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖3 Unified Audio模型的音頻驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

在這種模型下，音頻驅(qū)動(dòng)仍然是以流接口的形式實(shí)現(xiàn)，分別實(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流接口函數(shù)。

DMA緩存區(qū)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于音頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求較高，所以DMA緩存區(qū)設(shè)計(jì)以及合理地利用緩存區(qū)加快對(duì)音頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線無(wú)關(guān)的處理，而由DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制，這種機(jī)制使得CPU從繁重的數(shù)據(jù)傳輸中解脫出來(lái)，可以執(zhí)行其他計(jì)算，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)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(shù)據(jù)傳輸方式。

在本設(shè)計(jì)中，使用雙緩存區(qū)DMA通道設(shè)計(jì)，如圖4所示，當(dāng)CPU正在處理某一個(gè)緩存區(qū)數(shù)據(jù)的同時(shí)，DMA控制器可以完成另一個(gè)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(shí)時(shí)性。

雙緩存區(qū)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)當(dāng)中，以播音為例，新的音頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)緩存2的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，與此同時(shí)，DMA也繼續(xù)處理緩存1的數(shù)據(jù)。這樣，由于CPU和DMA沒(méi)有處理同一段DMA緩存區(qū)，就減少了資源訪問(wèn)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(shí)時(shí)性，也提高了系統(tǒng)的并行能力。

本設(shè)計(jì)中使用MapDMABuffers（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)DMA音頻數(shù)據(jù)緩存區(qū)的分配，函數(shù)主要實(shí)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(jié)束語(yǔ)

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(shí)現(xiàn)的基本原理及其驅(qū)動(dòng)程序模型，并結(jié)合具體程序重點(diǎn)描述了DMA雙緩存區(qū)的實(shí)現(xiàn)方法和原理。本設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用中能夠滿足音頻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，在實(shí)際測(cè)試中，緩存區(qū)大小設(shè)置為0x1000（Bytes），位時(shí)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(wú)雜音，達(dá)到了預(yù)期的效果。