基于STM32F4和CPLD的高品質(zhì)立體聲USB數(shù)字音頻接口設(shè)計

引言

在高品質(zhì)音頻回放系統(tǒng)中，USB協(xié)議[1]被廣泛應(yīng)用于音頻數(shù)據(jù)的傳輸。目前高品質(zhì)音頻設(shè)備大多基于USB Audio Devices Class（以下簡稱ADC）2.0規(guī)范[2]開發(fā)USB音頻接口。當(dāng)前較為常見的USB音頻接口方案的核心芯片有如下以下幾種選擇：1、專用USB音頻接口芯片；2、XMOS系列芯片；3、帶有USB2.0模塊的通用單片機(jī)；4、FPGA芯片。從產(chǎn)品成本和生命周期考慮，產(chǎn)品方案中核心芯片應(yīng)該選擇市場上占有率大產(chǎn)品線成熟產(chǎn)品支持完善且價格相對低廉的型號。專用芯片底層不透明適用范圍窄難以根據(jù)需求進(jìn)行個性化開發(fā)，XMOS芯片產(chǎn)品支持較少開發(fā)文檔不豐富，F(xiàn)PGA芯片開發(fā)難度和成本較高。通用單片機(jī)是一個較好的選擇，但通用單片機(jī)的數(shù)字音頻輸出功能通常較薄弱需要對其進(jìn)行一定的擴(kuò)充。本文基于市場上應(yīng)用廣泛的STM32F4芯片和CPLD芯片設(shè)計了一款高性能USB數(shù)字音頻接口。

本文所設(shè)計音頻接口指標(biāo)和特性如下：

1）支持的音頻數(shù)據(jù)流格式：16bit PCM、32bit PCM、DoP(DSD Audio over PCM Frames)、NativeDSD；

2）支持的最高數(shù)據(jù)規(guī)格：384kHz PCM、DSD256；

3）輸出接口規(guī)范：I2S、DSD；

4）異步反饋模式，主機(jī)時鐘與設(shè)備時鐘完全解耦，數(shù)字輸出信號質(zhì)量可控；

5）適配Windows、Linux系統(tǒng)原生ADC 2.0音頻驅(qū)動。

1   基于ADC 2.0規(guī)范的立體聲音頻架構(gòu)設(shè)計

ADC 2.0規(guī)范相較于其1.0版本架構(gòu)更復(fù)雜包含的內(nèi)容更為豐富，也增加了開發(fā)的難度。ADC 2.0物理層面上基于USB 2.0協(xié)議，完全支持高速USB傳輸，帶寬不再受限。邏輯層面上，ADC 2.0規(guī)范為盡可能滿足不同的音頻數(shù)據(jù)傳輸需求，規(guī)定了一套較為復(fù)雜的抽象層邏輯。其中USB音頻功能通過定義完善的接口來實(shí)現(xiàn)與外部的連通。每個音頻功能都必須包含一個音頻控制接口和可選的音頻流接口。音頻控制接口用于訪問對應(yīng)的音頻功能，音頻流接口用于傳輸音頻數(shù)據(jù)。

為有效操地操作各種音頻功能，ADC規(guī)范將其分割為不同的實(shí)體，依據(jù)功能特征實(shí)體可分為三大類：單元、端口、時鐘。音頻設(shè)備通過設(shè)備描述符定義音頻控制接口、音頻流接口和功能實(shí)體并將其從邏輯上串接在一起向主機(jī)描述設(shè)備所能實(shí)現(xiàn)的邏輯行為。

基于ADC2.0規(guī)范設(shè)計功能架構(gòu)如圖1所示。

1）Audio Streaming Interface定義了主機(jī)到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸接口。該接口有3個備選接口設(shè)置分別用于傳輸32bit PCM、16bit PCM和NativeDSD數(shù)據(jù)。

2）Audio Control Interface定義了主機(jī)到設(shè)備的控制接口，該接口下包含了用于傳輸音頻數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)部分功能的實(shí)體，主機(jī)通過設(shè)備請求來訪問不同實(shí)體的具體功能。ID1是input terminal用于接收USB數(shù)據(jù)流也定義了輸出聲道的數(shù)量；ID2是output terminal相當(dāng)于一個消耗USB數(shù)據(jù)的終端，主機(jī)一般需要結(jié)合audio streaming接口和端點(diǎn)描述符來確定此終端的具體特征行為；ID3是feature unit使能了音量控制和靜音控制；ID4、ID5是clock source，用于描述時鐘特征；ID6是clock selector，用于選擇時鐘信號的連接方式。

依據(jù)ADC規(guī)范編寫設(shè)備的配置描述符即可定義此架構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)，主機(jī)通過獲取配置描述符來知曉設(shè)備所具有的接口和功能。需要注意的是ADC僅僅提供了一個完整的協(xié)議框架，本身并不實(shí)現(xiàn)任何具體功能，開發(fā)者遵循ADC規(guī)范開發(fā)設(shè)備和驅(qū)動可提高產(chǎn)品和驅(qū)動的通用性。

圖1 基于ADC 2.0規(guī)范的音頻接口邏輯架構(gòu)

2 基于STM32F4 的USB Audio Class設(shè)備設(shè)計

由于ADC2.0規(guī)范是基于USB2.0協(xié)議的^[2]，需要設(shè)備具有高速傳輸能力。STM32F4的高速USB OTG模塊沒有片上高速PHY，只有UPLI接口，因此需要外接USB UPLI芯片來實(shí)現(xiàn)高速USB功能。本設(shè)計采用了較為常用的USB3300芯片與STM32F4連接，STM32F4提供完整的UPLI協(xié)議硬件支持^[3]，只需要操作對應(yīng)的寄存器即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的通信功能，不需要過多關(guān)注USB控制器具體底層的操作，大大降低了程序設(shè)計難度。

2.1 音頻數(shù)據(jù)傳輸和頻率反饋控制

依據(jù)ADC規(guī)范，設(shè)備需要使用等時端點(diǎn)來傳輸音頻數(shù)據(jù)。由于主機(jī)和設(shè)備的時鐘存在頻率誤差、相位誤差和相位抖動，為保證音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾B貫性，必須在主機(jī)和設(shè)備間建立一種同步機(jī)制。USB協(xié)議針對等時傳輸提供了三種同步方案[1]，以設(shè)備角度來分析如下

1）將設(shè)備時鐘同步到主機(jī)SOF（幀起始）信號上；

2）設(shè)備根據(jù)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率調(diào)整數(shù)據(jù)消耗速率；

3）設(shè)備和主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行在自己的時鐘上，設(shè)備提供時鐘速度的顯式反饋。

方案1）音頻回放質(zhì)量依賴于主機(jī)時鐘質(zhì)量和頻率跟蹤誤差，方案2）設(shè)備為保持同步必須在軟件里動態(tài)調(diào)節(jié)回放頻率直接造成失真。只有方案3）才能完全消除主機(jī)和設(shè)備間的時鐘耦合，這是高品質(zhì)回放的必要條件。

在一般音頻驅(qū)動程序中，主機(jī)使用EP1 _OUT端點(diǎn)來傳輸音頻數(shù)據(jù)，使用EP1 IN端點(diǎn)來進(jìn)行傳輸頻率的反饋。當(dāng)播放開始后，主機(jī)每個微幀都會向EP1發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，主機(jī)每4微幀向EP1請求一次4字節(jié)的IN傳輸。IN傳輸返回的數(shù)據(jù)是一個頻率參數(shù)，主機(jī)根據(jù)此參數(shù)動態(tài)地調(diào)整每個微幀發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)量從而調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送速率。

由于主機(jī)和設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行在各自的時鐘源上，因此主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)頻率和設(shè)備消耗數(shù)據(jù)頻率不可能完全一致，如果不進(jìn)行處理會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出和丟失問題。解決方案是在設(shè)備程序中設(shè)計一個緩沖區(qū)暫存數(shù)據(jù)，根據(jù)緩沖區(qū)長度向主機(jī)發(fā)送需要的數(shù)據(jù)速率來進(jìn)行滯環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度的跟蹤。環(huán)寬和跟蹤目標(biāo)的選擇需結(jié)合主機(jī)和設(shè)備時鐘的最大可能誤差以及控制芯片允許的存儲空間來確定。依據(jù)USB 2.0協(xié)議，高速傳輸?shù)谋忍芈示葢?yīng)控制在500ppm(0.05%)以內(nèi)，設(shè)環(huán)寬為，數(shù)據(jù)速率為則。

因主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)以微幀為單位，設(shè)每個微幀內(nèi)可能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量為字節(jié)，為防止數(shù)據(jù)上溢或下溢，追蹤數(shù)據(jù)長度應(yīng)大于。

2.2 音頻輸出接口與STM32F4間的通信實(shí)現(xiàn)

由于STM32F4芯片自身音頻接口功能有限，且不能直接輸出DSD信號，所以只能考慮駁接外部芯片來實(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。這部分功能主要是完成音頻信號時序輸出，因此選用CPLD芯片較為合理。

從主機(jī)接收的USB音頻數(shù)據(jù)在STM32F4芯片中處理后輸出到CPLD芯片，二者之間需要一個傳輸?shù)耐ǖ?。本設(shè)計最高數(shù)據(jù)規(guī)格是PCM 32bit/384kHz，計算可得數(shù)據(jù)帶寬為24.576Mbit/s，由參考手冊^[3]可知SPI1通道與高速USB接口復(fù)用無法使用其SPI功能，而其它SPI通道最高速率為21Mbit/s無法滿足設(shè)計要求。因此需用并行傳輸來提高接口帶寬，由于音頻數(shù)據(jù)量大且對實(shí)時性要求很高，不宜直接通過操作IO口來輸出數(shù)據(jù)，考慮使用STM32的DMA功能來實(shí)現(xiàn)并行傳輸。

得益于STM32F4的DMA IP核基于多層總線矩陣的設(shè)計，可以利用DMA和GPIO端口進(jìn)行并行同步傳輸，其本質(zhì)原理是利用某種觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從SRAM到GPIO的DMA傳輸^[4]。

1）DMA控制器選擇

STM32F4片上集成2個DMA IP。每個DMA各有一個存儲器端口和一個外設(shè)端口。利用外部總線矩陣和專用DMA路徑，不僅在DMA級兩個端口可以同時工作，還可以實(shí)現(xiàn)DMA和系統(tǒng)其它主設(shè)備同時工作。GPIO位于AHB1總線上，由參考手冊[3]可知STM32F4的DMA1的AHB外設(shè)端口沒有連接到總線矩陣，因此只有DMA2可實(shí)現(xiàn)從SRAM到AHB1外設(shè)的訪問。

2）觸發(fā)機(jī)制選擇

同步傳輸根據(jù)同步信號的提供者可將設(shè)備分為主從兩方。本文以STM32F4作為從設(shè)備，CLPD作為主設(shè)備進(jìn)行設(shè)計。CLPD向STM32發(fā)出同步信號來請求數(shù)據(jù)，當(dāng)STM32接收到一個合法的觸發(fā)信號應(yīng)觸發(fā)一次DMA傳輸，將存儲器（源地址）上的數(shù)據(jù)由DMA控制器傳輸?shù)紾PIO（目標(biāo)地址）上。這里就需要一個外設(shè)來接收并處理外部觸發(fā)信號并產(chǎn)生DMA請求，顯然定時器模塊很適合完成這項(xiàng)工作。

由參考手冊^[3]可知只有兩個高級控制定時器TIM1和TIM8可以產(chǎn)生DMA2的請求，但可產(chǎn)生DMA請求的事件比較豐富，本設(shè)計選擇了TRIG事件來觸發(fā)DMA請求。具體實(shí)現(xiàn)方法是將定時器設(shè)置為外部時鐘觸發(fā)模式，選擇一個GPIO端口x的上升沿觸發(fā)TRIG事件，每當(dāng)CPLD在端口x處產(chǎn)生一個上升沿信號即觸發(fā)DMA傳輸請求，數(shù)據(jù)從預(yù)設(shè)的地址傳輸?shù)紾PIO端口上，CPLD即可從相應(yīng)端口并行地讀入取此數(shù)據(jù)。

3）最大傳輸帶寬計算

此設(shè)計中影響STM32F4到CPLD傳輸帶寬的因素主要有DMA傳輸時間、定時器收入捕獲數(shù)字濾波時間和CPLD端口建立時間。由于CPLD端口建立時間較短，此處不予考慮。

本設(shè)計DMA設(shè)置是從存儲器傳輸數(shù)據(jù)到AHB外設(shè)，使用突發(fā)傳輸，不需要進(jìn)行總線仲裁，則DMA數(shù)據(jù)流的總傳輸時間為：

T_S=T_SP+T_SM

其中是DMA外設(shè)端口訪問和傳輸?shù)目倳r間，T_SM是DMA存儲器端口訪問和傳輸?shù)目倳r間。依據(jù)參考文獻(xiàn)[5]計算可得，最壞情況下DMA傳輸時間為8個AHB周期。

定時器輸入捕獲數(shù)字濾波器是為了消除干擾引起的誤觸發(fā)，數(shù)字濾波器由事件計數(shù)器組成，每N個事件才視為一個有效邊沿，將其設(shè)置為連續(xù)4個AHB周期。則從CPLD給出上升沿觸發(fā)信號到CPLD讀取到數(shù)據(jù)的延時為12個AHB周期。將AHB頻率設(shè)置為84MHz，在用8位GPIO口并行輸出的情況下，接口帶寬為：

可見傳輸帶寬完全滿足設(shè)計需要。若使用整組16位GPIO做輸出可降低芯片主時鐘頻率且為帶寬留出較大裕度，為設(shè)備功能升級留有裕量。

2.3 音頻信號的輸出

本設(shè)計中，PCM音頻信號輸出采用I2S接口，DSD音頻信號輸出由DSD時鐘信號和DSD左右聲道數(shù)據(jù)信號構(gòu)成^[6]。

對于PCM數(shù)據(jù)，主機(jī)傳入設(shè)備的數(shù)據(jù)是低字節(jié)在前高字節(jié)在后，而I2S協(xié)議是從數(shù)據(jù)高字節(jié)開始串行輸出的；對于DSD數(shù)據(jù)而言主機(jī)整幀的傳入數(shù)據(jù)而在信號輸出端左右聲道卻是同時輸出的。因此設(shè)備需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合處理。CPLD門資源較為有限，為降低片上資源的使用率和綜合布線難度，處理數(shù)據(jù)的工作全部由STM32芯片負(fù)責(zé)。CPLD依據(jù)前述設(shè)計方案從STM32緩沖區(qū)依次并行讀取數(shù)據(jù)再將數(shù)據(jù)按各播放模式的時序邏輯串行輸出即可。

2.4 硬件連接框圖

設(shè)備的主要硬件連接框圖如圖2所示。STM32通過ULPI PHY芯片與主機(jī)通信，與CPLD相連接的信號中CMD為控制信號，本設(shè)計使用SPI總線向CPLD發(fā)送控制指令。RDY為程序通知CLPD可以進(jìn)行數(shù)據(jù)請求的信號。REQ為CPLD向STM32發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信號，此信號即用于觸發(fā)DMA請求。DATA為并行的數(shù)據(jù)信號。CPLD向外輸出I2S和DSD時序信號，外部控制芯片可通過AUX接口來讀取設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)。

主機(jī)時鐘源1和負(fù)責(zé)提供回放時鐘的時鐘源2相互獨(dú)立，因此時鐘源2可以選用低相位噪聲的時鐘來提升音頻回放質(zhì)量。

圖2 硬件連接框圖

3 應(yīng)用程序框架

由于基于上述設(shè)計方案的軟件實(shí)現(xiàn)方案非常靈活，部分技術(shù)雖為通用技術(shù)但細(xì)節(jié)又較為繁瑣，本節(jié)僅對一種可行性方案概括性說明。

此方案主要由三個模塊構(gòu)成：USB底層通信程序、Setup傳輸處理程序、播放處理程序。具體功能使用了三個狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，由于USB通信程序中包含了硬件中斷，三個狀態(tài)機(jī)之間的通信由消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)異步通信。此處不對USB底層通信和Setup傳輸處理程序進(jìn)行贅述，重點(diǎn)對播放處理的狀態(tài)機(jī)設(shè)計進(jìn)行說明。

基于上述原理設(shè)計的播放處理狀態(tài)機(jī)的UML狀態(tài)圖如圖3所示，整個播放過程在播放監(jiān)控狀態(tài)中運(yùn)行，在PlayGuard_IDLE狀態(tài)中程序接收相關(guān)的參數(shù)設(shè)置信號為播放做準(zhǔn)備。PlayGuard_PLAYING是一個組合狀態(tài)，其自身負(fù)責(zé)與USB底層模塊通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其子狀態(tài)負(fù)責(zé)處理特定播放模式。

音頻數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)是程序的核心算法。音頻數(shù)據(jù)通過OUT傳輸寫入程序緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)由播放子狀態(tài)處理并寫入FIFO中。程序?qū)MA傳輸設(shè)置為雙緩沖模式，在DMA完成事件中從FIFO讀出一組數(shù)據(jù)對雙緩沖區(qū)進(jìn)行交替填充。在IN傳輸完成事件中計算當(dāng)前FIFO區(qū)數(shù)據(jù)長度據(jù)此反饋數(shù)據(jù)傳輸率給主機(jī)完成對數(shù)據(jù)長度的追蹤控制。

圖3 播放處理狀態(tài)圖

4 結(jié)語

基于上述設(shè)計制作了硬件實(shí)物如圖4，分別在Windows 10系統(tǒng)和Linux發(fā)行版下進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，接口板在系統(tǒng)原生驅(qū)動下工作正常，可播放所支持規(guī)格的PCM音頻文件。在三方驅(qū)動下可正常通過DoP模式或NativeDSD模式播放DSD音頻文件。播放自定義音頻文件并用邏輯分析采集輸出接口的數(shù)據(jù)與源文件對比，接口板完整無失真的還原了源文件的數(shù)據(jù)。在軟件開發(fā)平臺上對緩沖隊(duì)列進(jìn)行監(jiān)控，程序能較好的跟蹤隊(duì)列長度的穩(wěn)定，無數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。最后將接口板連接至解碼器上進(jìn)行試聽，主觀聽感良好。以上試驗(yàn)證明設(shè)計達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。

圖4 硬件實(shí)物圖

設(shè)計在以下方面還有進(jìn)一步研究改進(jìn)的空間：1、優(yōu)化播放時鐘設(shè)計，進(jìn)一步降低回放失真；2、增加對更多聲道音頻格式的支持；3、增加數(shù)字音效的功能；4、增加Bootloader程序，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對設(shè)備功能和參數(shù)的在線升級與修改。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Universal Serial Bus Device Class Definition for Audio Devices[EB/OL]. Release 2.0,USB-IF, (2006-5-31)[2020-4-25].https://www.usb.org.

[3] STM32F405/415, STM32F407/417, STM32F427/437 and STM32F429/439 advanced Arm?-based 32-bit  MCUs Reference manual (RM0090)[EB/OL]. Rev 18, STMicroelectronics, (2019)[2020-4-25].https://www.st.com.

[4] Parallel synchronous transmission using GPIO and DMA(AN4666)[EB/OL]. Rev 1, STMicroelectronics, (2016)[2020-4-25].https://www.st.com.

[5] Using the STM32F2, STM32F4 and STM32F7 Series DMA controller(AN4031)[EB/OL]. Rev 3, STMicroelectronics, (2016)[2020-4-25].https://www.st.com.

[6] J. ROBERT STUART. Coding for High-Resolution Audio Systems[J]. Audio Eng. Soc., 2004,Vol. 52, No. 3:117-144.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）