基于I2S的USB 声卡系统设计

USB声卡原理

　　由USB声卡数据流图(见图1)可以看出USB声卡的工作原理。在主机端播放音乐时，应用软件或驱动程序把各类音频信号转换为统一的格式，如PCM、MPEG等格式的数据流，通过主机的USB接口发送给USB声卡。声卡的USB接口接收到数据后，通过I2S接口把并行音频数据转为串行，再发送给音频编解码芯片进行D/A转换，即可在音频芯片连接的扬声器中发音。录音过程和播放过程正好相反。

　　图1  USB 声卡数据流

硬件设计

　　USB声卡硬件主要包括MCU和音频编解码芯片。MCU采用三星公司的处理器S3C2410，S3C2410内置I2S总线器和USB Slaver控制器。S3C2410的I2S控制器实现了一个外部8/16位立体声音频CODEC IC的接口，支持I2S总线数据格式和MSB-justified数据格式，并且支持DMA传输模式。

　　音频芯片采用UDA1341TS。UDA1341TS提供标准的I2S接口，可以直接和S3C2410的I2S引脚连接。另外，此芯片还提供标准的L3、麦克风和扬声器接口。L3接口的引脚分别连到S3C2410的3个GPIO输出引脚上，通过GPIO控制L3接口。UDA1341TS音频芯片集成数字化音频和混频器功能。数字化音频功能可以播放数字化声音或录制声音，因为包括这个功能，所以常把此类芯片称为CODEC设备。混频器用来控制各种输入/输出的音量大小等，在本芯片中通过L3接口进行控制。

　　图2 USB声卡拓扑图

软件设计

　　软件设计包括两部分：USB声卡固件程序设计和主机端Windows驱动设计。因为USB音频类设备是一种标准设备，在Windows 操作系统上有标准的USB音频驱动，所以只需要开发者根据USB音频类的协议开发固件程序。

　　USB声卡的固件程序主要包括两部分，第一部分主要是USB通讯，第二部分实现I2S接口数据传输以及数据流的缓冲区控制等。

USB通讯

USB声卡描述符

　　为了有效地定义出USB声卡的描述符，可先根据USB音频类协议，并结合需要实现的USB声卡功能，确定出USB声卡的拓扑图(见图2)，然后再根据拓扑图和USB音频类描述符的协议，写出USB声卡的描述符。

　　USB声卡的描述符包括5部分，分别为设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符。接口描述符是其中的难点。USB声卡的接口描述符包括两部分：音频控制(AudioControl)接口描述符和音频数据流(AudioStreaming)接口描述符。

　　1. USB音频控制接口描述符。根据USB声卡的拓扑图所示，当声卡用于回放功能时，其声卡功能的控制流程，通过IT1(Input Teminal)，OT3(Out Teminal)和Feature单元表示，IT1表示的是PC向USB声卡发送的音频数据流，OT3表示的是发向DAC的数据流，在IT1和OT3之间的Feature单元用于调节音量和音效功能等。当声卡执行录音功能时，USB的功能拓扑通过IT2，OT4表示，IT2表示A/D采样的音频数据流，OT4表示的是通过USB接口发向PC的数据流。USB音频控制接口的数据传输一般使用默认端点0。

　　在USB声卡的拓扑图中，F表示的是USB音频类的Feature单元，Feature单元的主要作用是控制音量、静音、低音等。如果在描述符中声明了Feature单元，在Windows操作系统下，控制面板中的声音和音频设备的一些功能才能使用。那么在Windows中进行调节音量等控制时，就会触发固件程序对UDA1341TS芯片L3接口的控制。

　　2. USB音频数据流接口描述符。因为USB 音频有回放和录音两种功能，所以需要两个同步数据流接口，两个接口使用双向端点1进行数据传输。

　　通过USB声卡的拓扑图，可以分析出音频接口的流程和功能，从而得出USB声卡的描述符。