Kinetis微控制器eDMA和I2S的音频接口设计

摘要：本文给出基于Kinetis MK60N512微控制器和16位／24位音频数模转换器MAX5556的立体声音频接口设计。MK60N512由I2S总线向MAX55 56传输音频数据，输出音频信号经有源滤波器进行滤波，保证音频质量的同时提高其带负载能力。由MK60N512内部高性能可编程的增强型DMA向I2S模块传送音频数据，减轻微控制器内核的负担。
关键词：Kinetis；MK60N512；MAX5556；增强型DMA；I2S总线

引言
    MK60N512是飞思卡尔公司Kinetis系列微控制器集成度最高的芯片，它基于ARM Cortex—M4内核，具有功耗低、性能高、成本低的特点，旨在为嵌入式音频、汽车电子和电源管理等提供灵活的解决方案。MAX5556是美信公司一款低功耗、立体声音频数／模转换器(DAC)，支持标准I2S总线协议，采样精度最高可达24位，采样率为2～50 kHz。采用∑-△调制技术，能够对量化噪声进行有效整形，减小量化噪声。
    音频处理系统中，采用DMA实现音频数据在微控制器内的传输，能减少内核的参与，降低内核负担。系统的数据传输通道如图1所示，音频信号暂存在缓存区中，由DMA传输到I2S总线模块的发送电路。为了保持音频信号的连续性，采用“乒乓RAM”设计缓存。图中A／B表示乒乓RAM的编号。

1 MK60N512 I2S总线和eDMA介绍
1．1 I2S总线模块
    MK60N512的I2S总线模块有3种基本操作模式：普通模式、网络模式和门控时钟模式，针对音频上的应用，I2S总线模块还支持两种衍生模式：I2S总线模式和AC97模式。I2S总线模块的结构如图2所示，由发送电路、接收电路、串行时钟和帧同步时钟产生电路组成。STCK、SRCK分别为串行发送、接收时钟端口，STFS、SRFS为串行发送、接收帧同步端口，STXD、SRXD为串行发送和接收数据端口。在同步模式下，STCK端口被发送和接收单元共同使用。

    发送电路和接收电路均有两个FIFO，宽度为32位，深度为15。对发送数据寄存器TX0／TX1和接收数据寄存器RX0／RX1的写入与读取可以访问这些FIFO。发送逻辑将TX FIFO中的数据转移出来，装入发送串行移位器TXSR，然后从STXD端口串行发送；接收逻辑将数据从输入的数据帧中转移出来后，将它们放入接收RXFIFO的入口。当TX FIFO中空缺数目或RX FIFO数据达到设定的数目时，会触发中断或者DMA传输。
1．2 eDMA
    MK60N512的eDMA高度可编程，数据传输高度优化而几乎不需要CPU内核干预。与普通的DMA不同，eDMA的传输由主循环(Major Loop)和辅循环(MinorLoop)组成。主循环由外设自动触发，每次主循环结束后源地址、目的地址都会按照TCDn_SOFF、TCDn_DOFF寄存器中的值自动偏移而不需要CPU去修改。除了所有传输结束后产生中断申请外，eDMA还支持“半中断”，即主循环完成总循环次数一半时产生中断申请，这特别适合“乒乓RAM”设计。

2 MAX5556介绍
2．1 引脚定义和内部结构
    MAX5556内部结构如图3所示，MCLK为主时钟，LRCLK为左／右声道选择时钟，SCLK为外部串行时钟，SDATA为串行音频输入，OUTL／OUTR为左／右声道输出。串行接口模块获取音频数据后，由内置数字插值器、滤波器对其进行滤波，以去除基带音频信号携带的谐波噪声；音频数据经∑-△调制器调制后由DAC转换，输出的模拟信号经由内部的模拟低通滤波器进行滤波，衰减高频量化噪声；内置输出缓存器能驱动大于3 kΩ的负载电阻和高达100 pF的负载电容；最终模拟音频信号从OUTL／OUTR输出。

2．2 工作模式
    MAX5556支持外部串行时钟模式和内部串行时钟模式。在一个LRCLK周期内，若检测到有效的SCLK，则进入外部串行时钟模式，SCLK作为采样时钟；如果检测不到有效的SCLK，则进入内部串行时钟模式，采样时钟由内部生成。内部采样时钟的频率根据检测到的MCLK与LRCLK的比值确定，若MCLK与LRCLK的比值为384，则内部采样时钟频率为48×fLRCLK；若MCLK与LRCLK的比值为256或512，则内部采样时钟频率为32× fLRCLK。
2．3 数据格式
    MAX5556支持左对齐16位或者24位数据格式。当其工作在外部串行时钟模式，或工作在内部串行时钟模式，且同时MCLK与LRCLK的比值为384时，有效数据为24位。如果数据不足24位，低位补零；超过24位的数据会被忽略。当工作在内部串行时钟模式，且MCLK与LRCLK的比值为256或512时，有效数据为16位。MAX5556数据格式如图4所示。每次LRCLK沿变化后的第二个SCLK上升沿时，SDATA上数据开始有效，出现最高有效位(MSB)；24个或者16个时钟周期后出现最低位有效位(LSB)。LRCLK为0时，数据进入左声道DAC；LRCLK为1时，数据进入右声道DAC。

3 系统硬件电路设计
    MK60N512通过I2S总线将音频数据传输给MAX5556进行数模转换，输出模拟音频信号由滤波电路进行滤波，同时提高带负载能力。I2S总线模块工作在I2S总线主模式下，发送电路的STCK、STFS和STXD端口对应的引脚分别为BCLK、TX_FS和TXD，I2S总线模块的主时钟通过MCLK引脚输出。硬件电路如图5所示。由于MK60N512工作在3．3 V电压下，而MAX5556工作电压为5 V，为了提高数据传输的稳定性，接口均采用上拉方式。

    LM358在5 V单电源供电时有效输出为1．5～3．5 V，而MAX5556的输出可以达到0～5 V，因而在输入端使用R1和R2对原始信号进行衰减，防止输出信号出现削顶失真。

4 软件设计
4．1 “乒乓RAM”设计
    MK60N512的I2S总线模块在I2S总线模式下支持双声道，音频数据在FIFO中交错存放，因此在缓存中的音频数据也需要交错存放。数据缓存如图6所示，其中L／R表示音频左／右声道。每个音频数据占用4个字节空间，缓存BUFF_A、BUFF_B在物理地址上是连续的，它们大小均为512字节，共存储256个音频数据。当DMA从缓区BUFF_A中读取数据时，CPU向缓存区BUFF_B中存储下一组音频信号；当DMA将BUFF_A中的数据全部传输结束后，将DMA通道源地址切换到BUFF_B，同时CPU向BUFF_A存储数据，如此反复。

4．2 I2S总线模块的配置
    配置I2S总线模块工作在I2S总线主模式下，默认一帧数据长度是32位，而且为左对齐模式；使用帧同步TX_FS作为声道选择时钟，且同步帧长度为一个字。由于MAX5556的SCLK信号由MK60N512提供，MAX5556工作在外部串行时钟模式，有效数据位是24位，因而配置发送数据位为24位。按照MAX5556的数据格式，数据需要在SCLK下降沿输出从TXD数据，且需要发送早期帧同步，让数据延迟一个采样时钟，还需要根据音频采样频率设置帧频率。

    使能TX FIFO和其DMA请求，当FIFO中空缺数达到8时，启动一次DMA主循环。图7为音频数据在TXFIFO移动过程。图7(a)中FIFO为满，随着发送移位逻辑从FIFO从取出一个数据后，FIFO产生一个空缺，如图7(b)所示。当发送8次数据后，FIFO空缺数达到8个，则触发DMA主传输，如图7(c)所示。
    I2S总线的初始化代码略——编者注。
4．3 eDMA配置
    当TX FIFO空缺数达到8时，触发DMA主循环，故每次主循环传输数据数目是32字节，每次主循环源地址偏移也是32字节，完成缓存区1 024字节数据传输需要32次主循环。第16次主循环结束，DMA已经将BUFF_A中所有数据传输完毕，DMA源地址指向BUFF_B，并产生“半中断”请求，CPU开始向BUFF_A中存储下一组512字节音频数据。
    当BUFF_B中数据传输结束后，源地址恢复到BUFF_A起始地址，并产生中断请求，CPIJ响应中断并向BIJFFB中存储下一组512字节音频数据。可以看出，在传输过程中，CPU只需要响应两次中断请求，然后向缓存区写入音频数据。每次主循环结束后源地址偏移32字节，完整的传输结束后，源地址恢复到BUFF_A起始地址，这些操作都是通过eDMA模块自己完成的。
    DMA的初始化代码略——编者注。

5 测试结果
    图8为TX_FS和TXD的波形图，通道1为TX_FS，通道2为TXD。左／右声道发送的音频数据均是0x555。图8(a)的发送帧频率为48 kHz，图8(b)的为44．1 kHz。从图8中可以看出，数据长度为24位，左对齐模式，而且数据与帧同步有一个采样时钟的延时，符合MAX5556的数据格式和时序。

结语
    本文设计了基于Kinetis MK60N512和MAX5556的立体声音频接口，MK60N512将音频数据按照MAX5556的数据格式和时序通过I2S总线传输给MAX5556，MAX5556内部DAC将数据转化为模拟信号输出，并由滤波电路对音频信号进行滤波，同时提高带负载能力。使用MK60N512内部高性能可配置的eDMA提高系统数据传输速率，降低CPU的负担。测试表明，系统能输出立体声音频，输出频率可调，可以为Kinetis系列微控制器音频解决方案提供参考。