采用I2S接口为MCU系统中的数字音频提升质量

tee12 · 发表于 2019-2-16 17:33:55

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采用I2S接口为MCU系统中的数字音频提升质量
I2S（Inter-IC Sound）界面最初定义为二十多年前用于CD播放器，但经过多次修改和增强，现在已成为任何支持音乐的数字系统的重要元素。与用于MCU的其他串行接口相比，I2S是一个更具延迟敏感性的接口，因为接口的目的是可靠地传输高保真音频。要使用I2S，您通常需要选择一个专门支持该标准的微控制器（MCU），尽管存在使用标准MCU串行端口的软件驱动实现。将支持I2S的MCU与外设芯片（如以音频为中心的数据转换器）相结合，您可以在基于MCU的系统中提供高质量的数字音频。

I2S接口由飞利浦定义。由于首字母缩略词的相似性，许多人认为它在技术上与I2C接口有关。实际上，唯一的联系是飞利浦定义了两者。 I2S速度更快，包括完全不同的信令结构，并且严格定义用于传输双声道音频数据。

I2S实现至少包括三条信号线 - 位时钟，字时钟和多路复用数据信号。一些实现还包括主时钟信号和第二数据线。该接口被定义为允许使用用于立体声应用的脉冲编码调制（PCM）编码方案来传输两个32位音频通道。

图1，由Microchip提供，显示了典型的I2S实现方案。诸如A/D转换器（ADC）之类的源以数字方式将音频传输到MCU。 MCU又可以将音频流传输到D/A转换器（DAC）以输出到扬声器。

图1：Microchip的这张图显示了一个典型的音频I2S系统将ADC与系统MCU连接，并将MCU连接到输出侧的DAC。

MCUI2S支持

让我们来看看一些包含I2S支持的MCU选项。例如，德州仪器（TI）在其Stellaris MCU系列的几个分支上提供I2S，包括Stellaris 9000 MCU。 Stellaris MCU集成了32位ARM Cortex-M3 CPU内核。 9000子系列的时钟频率高达80 MHz。

同样，Microchip仅在基于MIPS CPU内核的32位PIC32系列MCU上提供I2S支持。现成的产品系列均以40 MHz的最高时钟速度运行，并具有32至128 KB的集成闪存。

飞思卡尔可能提供最广泛的支持I2S的MCU，可选择i.MX-，Kinetis-，PowerPC-和Coldfire-family选项。 i.MX产品被称为嵌入式处理器而不是MCU，尽管它们集成了内存。 i.MX23/25处理器基于ARM9 CPU，i.MX35处理器基于ARM11 CPU，i.MX51/53处理器基于ARM Cortex-A8内核。在可用IC范围内，支持的最大时钟速度从100 MHz开始，并扩展到400 MHz以上。

在MCU特定领域，飞思卡尔主要支持Kinetis系列MCU中的I2S，这些MCU基于ARM Cortex-M4 CPU，时钟速度最高可达100 MHz。 Cortex-M4集成了针对DSP应用而优化的数学功能，包括音乐或以音频为中心的应用，此类产品有时也称为数字信号控制器（DSC），使具有数学功能的产品与标准MCU区分开来。

恩智浦还在广泛的基于ARM的MCU上支持I2S。该列表包括基于ARM7，ARM9，Cortex-M3和Cortex-M4 MCU的产品。同样，意法半导体的STM32系列支持基于Cortex-M3和-M4的MCU，支持I2S，时钟频率范围为168 MHz。

将I2S添加到16位MCU

通常，MCU供应商仅在32位MCU上支持I2S，因为高端音频和音乐应用通常要求32位CPU提供的性能。但是16位MCU性能大幅提升，您可能会发现自己需要将这样的MCU连接到以音频为中心的外设，如立体声ADC。

您可以将MCU支持用于诸如串行外设接口（SPI）之类的接口以及软件和一些外部逻辑来创建功能性I2S端口。例如，TI已发布了一份应用笔记（SLAA449A-将I2S器件连接到MSP430器件），描述了如何在16位MSP430系列MCU上实现I2S（图2）。

图2：您可以使用标准串行端口和一些外部逻辑在16位MCU上实现I2S支持，如TI MSP430的情况所示。

I2S实现的部分复杂性是需要支持多路复用数据来传输两个立体声通道。该标准规定左右声道数据由字时钟发信号通知有效 - 上升沿有一个通道，下降沿有一个通道。图2中描述的电路使用4位计数器和一些离散逻辑来实现5位计数器，而不是产生精确传输I2S链路的16位字所需的信号。

tee12 · 发表于 2019-2-16 17:37:08

I2S外围IC

已经涵盖了I2S链路的MCU端，让我们来看看在基于I2S的设计中可能使用的外设IC类型。该列表肯定从数据转换器开始，包括以音频为中心的模型。音频目标数据转换器在几个方面与标准产品不同。音频转换器通常支持更高的精度和更快的采样率。此外，音频设备通常在一个IC上集成两个用于立体声支持的通道。例如，AKM Semiconductor提供专为音频应用设计的16位和24位ADC。具体示例包括24位AK5358和16位AK5701。 delta-sigma转换器可以从两个立体声输入中进行选择，并提供高达48 kHz的采样率。，TI和其他公司也出售具有I2S支持的ADC。

您可以从ADI公司，Maxim Integrated Products公司，AKM Semiconductor公司和TI公司获得基于I2S的DAC。例如，ADI公司提供20位AD1854立体声DAC和24位AD1852立体声DAC。 sigma-delta转换器支持高达192 kHz的采样率。

并非所有音频应用都需要DAC来处理音频输出。例如，一些D类线性放大器广泛用于具有相对小的扬声器的便携式设备中。有些D类放大器不使用DAC。例如，恩智浦提供TFA9879线性放大器，可接受I2S输入并驱动扬声器。放大器采用数字域中的音频流并将其转换为脉冲宽度调制（PWM）流。然后在模拟域中，与H桥电路组合的二阶反馈回路驱动扬声器。

恩智浦IC是单调放大器，但您也可以购买立体声D类放大器。例如，ADI公司提供SSM2518立体声线性放大器。然而，与恩智浦不同，ADI公司选择将其设计基于DAC和sigma-delta调制器，以优化音频质量。

TI，Cirrus Logic，NJR等公司也提供基于I2S的四通道放大器。图3描述了TI TAS5711的框图。 IC使用PWM电路和H桥来驱动四个输出而不是DAC。典型应用可能是支持后置声道音频的MPEG视频流的音频处理。

图3：四通道TI TAS5711线性放大器链接到MCU通过I2S并使用PWM转换器和H桥电路来驱动扬声器。

在集成方面提升一个级别，您可能会发现专用音频编解码器IC可能在复杂的音频应用程序中发挥最佳性能。例如，Cirrus Logic为个人计算机多媒体系统等应用提供CS4205音频编解码器。该IC集成了独立的18位ADC，用于麦克风和线路输入。集成的20位DAC驱动输出混频器。

Cirrus编解码器使用以PC为中心的AC-Link接口来链接主机处理器和编解码器。但编解码器还支持三个同步I2S输入和一个I2S输出，用于连接其他数字音频外设功能。

特定于应用的实现

到目前为止，我们专注于使用I2S相对于纯音频为中心的设计，其中音频支持是应用要求的核心。但I2S也广泛用于音频支持是必要但次要功能的产品。您还可以找到专为某些终端产品设计的基于I2S的IC。

考虑Nuvoton技术。该公司在称为ChipCorder的ISD15100产品系列中制造了一对IC（图4）。 ChipCorder IC实现了数字录音和播放设备（如数字应答机）所需的所有功能。

图4：Nuvoton的ChipCorder IC系列包括音频记录和回放所需的所有功能，并提供到主机MCU的I2S链接。

这些IC包括数字音频压缩硬件，集成闪存以及专用的模拟和数字音频信号路径。 ISD15108 IC可以存储8分钟的音频，ISD15116 IC可以在集成的Flash中存储16分钟的音频。这两个图都是指以8 kHz采样的音频，并使用4位ADPCM进行编码。 Nuvoton IC支持多种压缩格式选择，包括2至5位ADPCM，6至8位μ律或差分μ律，以及8位，10位或12位PCM。

IC包括模拟音频输入和差分音频输入。您可以使用I2S或SPI将数字音频传输到IC或从IC传输数字音频，尽管前者提供更高的保真度。该IC还包括一个可以直接驱动小型扬声器的D类音频放大器。

特定应用的故事继续发生在片上系统（SoC）产品中，该产品集成了强大的处理内核，外设和接口，如I2S。在讨论SoC时，我们首先讨论了MCU，然后是使用I2S连接到MCU的外设，现在是SoC，除了片上SoC功能外，还需要I2S连接外设。例如，麦克雷尔通过其KSZx692系列SoC针对一系列以通信为中心的应用（图5）。许多目标应用需要高端音频支持，例如支持多媒体的住宅网关。

图5：Micrel的KSZx692系列SoC针对以通信为中心的应用，如多媒体住宅网关，提供I2S接口，用于音频支持。

Micrel SoC基于250 MHz ARM9内核，包括能够支持100 Mbit/s数据的双以太网MAC（媒体访问控制器）率。还有USB端口甚至PCI接口。包含I2S接口，支持16，18，20和24位音频的录制和播放。

USB 3.0应用程序

I2S在新的赛普拉斯半导体SoC中也出现了不同寻常的地方。 CYUSB3014 USB控制器支持USB 3.0标准中定义的新的5 Gbps超高速数据传输模式。该性能有望使USB能够在更广泛的多媒体应用中服务，从高端多媒体播放器到医疗和工业系统。

SoC实际上集成了200 MHz ARM9 CPU内核和512 KB的SRAM。 IC包括一系列外围设备。 I2S接口旨在支持外部编解码器，就像您可以将此类编解码器连接到标准MCU一样。

现在应该清楚的是，您需要在规范开发过程的早期阶段考虑项目中是否需要I2S。您可能不会使用纯粹以音频为中心的产品，但添加音频支持可以大大增加许多系统设计的价值主张。 I2S是支持高质量音频的最简单方式，也许增加了产品设计取得广泛成功的机会。但是，在大多数情况下，您必须从包含I2S支持的MCU或SoC开始，以实现最佳设计。此外，还要对市场上的I2S集成电路进行全面审查。您可能会发现一个具有特定于应用程序的功能，可以大大简化您的设计周期。

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